Технология производства черной металлургии

Черная металлургия

К черной металлургии относят выплавку чугуна из железных руд, производство стали, проката и сплавов железа и стали с другими элементами (марганец, хром, никель, селен, бериллий и др.).

Технология производства. Руду, поступающую на металлургические заводы, освобождают от пустой породы. На агломерационных фабриках руду дробят, размалывают и засыпают ровным слоем на постоянно движущуюся ленту агломерационной машины вместе с коксом. Проходя через горелки зажигательного горца, кокс на ленте загорается, что обеспечивает спекание руды и выгорание из нее серы и других примесей. Спекшаяся руда (агломерат) в хвостовом конце ленты ломается и падает в приемное устройство (бункерные чаши), где охлаждается (тушится) водой или продуванием воздуха.

В доменном цехе агломерат или отмытую руду и другие компоненты шихты (кокс, известняк, доломит и др.) в определенных пропорциях скиповым подъемником загружают в доменную печь, где вследствие горения кокса при интенсивной подаче в печь кислорода происходит восстановительная плавка. Расплавленный чугун, стекающий в нижнюю часть печи, и более легкий шлак, всплывающий поверх чугуна, периодически выпускают через летки. По специальным канавам на литейном дворе жидкий чугун и шлак стекают в ковши, установленные на железнодорожные тележки. В этих ковшах чугун транспортируют в сталеплавильный цех или на разливочную машину, где его разливают в изложницы и затем извлекают в виде слитков.

Передел чугуна на сталь производят в мартеновских, конверторных или электросталеплавильных цехах. Процесс варки стали заключается в выжигании углерода и ряда других примесей (серы, фосфора и др.), в результате чего металл теряет хрупкость и приобретает упругость. Для получения различных сортов стали при ее варке к ней добавляют хром, никель, марганец и др. Готовую сталь выпускают в ковши и разливают на слитки в изложницы или через установку непрерывной разливки. Из изложниц стальные слитки (до 10—15 т) поступают в обжимные станы (блюминги, слябинги). Обжим изменяет внутреннюю структуру металла, а слитки получают определенную внешнюю форму — так называемые заготовки. Эти заготовки направляют в прокатные станы, где из них прокатывают металл заданного профиля и размера. На установках непрерывной разливки стали получают уже готовые заготовки, которые направляют сразу на прокатные станы.

Условия труда. Мощное нагревательное оборудование, расплавленный и нагретый металл, шлак и агломерат являются источником конвекционного тепла и лучистой энергии, иногда ультрафиолетового излучения (см.). Инфракрасное излучение (см.), помимо прямого воздействия на рабочих, нагревает окружающие поверхности, которые становятся вторичным источником тепла. В результате воздух большинства цехов в теплый период года значительно нагревается. В холодный период года эти тепловыделения, создавая сильный тепловой напор, способствуют интенсивному естественному воздухообмену, в результате чего в некоторых цехах при наличии открытых проемов воздух чрезмерно охлаждается. Рабочие при выполнении многих операций периодически подвергаются воздействию инфракрасной радиации в сочетании с температурой воздуха, относительно высокой в летний и низкой в зимний период года.

Большинство технологических процессов на современных заводах черной металлургии механизировано, однако рабочим нередко приходится выполнять трудоемкие вспомогательные работы, физическая нагрузка при которых в сочетании с неблагоприятными метеорологическими условиями предъявляет повышенные требования к сердечно-сосудистой, дыхательной и терморегулирующей системам организма.

В холодное время года относительно низкие температуры воздуха в цехах, особенно на заводах северных районов страны, неравномерный нагрев в сочетании с интенсивным облучением и сквозняками могут вызывать переохлаждение организма.

Обильное потоотделение летом иногда приводит к значительной влагопотере (нередко с падением веса тела к концу смены), усиленному расходу солей, белков и водорастворимых витаминов, а также к раздражению кожного покрова выкристаллизовавшимися на одежде солями (одна из причин гнойничковых заболеваний кожи).

Разнообразное нагревательное оборудование, особенно работающее под давлением, разветвленная сеть газовых коммуникаций и газовые установки (горелки) являются источниками выделения газов [в том числе окиси углерода (см.)] в рабочие помещения. Однако ввиду значительных габаритов современных цехов и хорошего их проветривания концентрация окиси углерода в воздухе в большинстве цехов, как правило, не превышает предельно допустимой (20 мг/м 3 ) даже в наиболее неблагоприятный зимний период. Исключение составляют доменные цехи, где при повышении давления в печи газ просачивается через неплотности и открытые рабочие отверстия, что ведет к кратковременному повышению концентрации окиси углерода на отдельных участках этих цехов. В остальных цехах кратковременное повышение концентрации окиси углерода наблюдается в местах скопления газовых коммуникаций, где обычно нет постоянных рабочих мест.

Кроме окиси углерода, в некоторых цехах имеет место выделение сернистого газа — на аглофабриках, в доменном цехе и в миксерном отделении сталеплавильных цехов, где он образуется вследствие выгорания серы из руды, агломерата и чугуна, а также от всех нагревательных устройств, работающих на серусодержащих мазутах. Однако концентрация сернистого ангидрида в воздухе не превышает предельно допустимой (10 мг/м 3 ). При варке специальных и легированных сталей, а также при выплавке ферросплавов выделяются пары и окислы легирующих добавок (марганца, хрома, селена, бериллия и др.). При сгорании смол и масел, употребляемых для смазки изложниц, трущихся частей прокатных станов и т. п., воздух загрязняется углеводородом. Все эти газовыделения создают опасность возникновения острых и хронических отравлений и профессиональных заболеваний рабочих. Однако на современных заводах черной металлургии вследствие эффективных мер борьбы с ними профессиональные отравления и заболевания наблюдаются редко.

Пыль (см.) наблюдается преимущественно в цехах и на участках подготовки шихты (размольно-смесительное отделение и цикл возврата аглофабрики, подбункерное помещение доменного цеха, шихтовые дворы мартеновских, конверторных, электросталеплавильных и ферросплавных цехов и т. п.). Эта пыль содержит до 15—20% и более свободной и аморфной двуокиси кремния, свыше 50% окислов железа и другие примеси; концентрации ее на этих участках иногда могут значительно превышать предельно допустимые.

Пыль образуется также при выпуске чугуна из доменной печи, заливке его в изложницы разливочной машины или в миксер сталеплавильного цеха. При этих процессах в воздух выделяется углерод, который конденсируется в графитную пыль. При продувании конвертеров, плавке металлолома в электросталеплавильных печах, газовой резке и зачистке металла выделяются дым и пыль, состоящие из аэрозоля конденсации железа и его окислов, которые нередко не улавливаются полностью и распространяются на большие расстояния от источников их выделения. При обжиме горячего металла в прокатных и трубопрокатных цехах с его поверхности слетает много окалины, состоящей в основном из окислов железа, часть которой рассеивается в воздухе. При зачистке проката на наждаках образуется большое количество наждачной и металлической пыли.

Особое значение имеет пыль, образующаяся при ломке и кладке огнеупоров во время ремонта металлургических печей, миксеров и ковшей. Эта пыль весьма опасна, так как в ней содержится до 70% различных соединений кремния. У некоторых рабочих, подвергавшихся длительное время воздействию повышенных концентраций пыли (в размольно-дробильном отделении аглофабрик, подбункерных помещениях доменных цехов, на ремонте мартеновских печей и др.), наблюдались заболевания пневмокониозами.

Среди других неблагоприятных факторов в цехах заводов черной металлургии следует отметить шум (см.). В доменном цехе он образуется при дутье и достигает 90—100 дБ, в электросталеплавильных и ферросплавных цехах — от вольтовой душ в печах (свыше 100 дБ), в прокатных и трубопрокатных цехах — при опиловке и резке проката на циркулярных пилах (до 100 дБ); у пневмопривода пилигримового стана в трубопрокатных цехах, а также у компрессоров установок непрерывной разливки стали шум достигает 110 дБ. Почти все эти шумы — высокочастотные, при длительном воздействии возможно их неблагоприятное влияние.

Наличие в большинстве цехов горячего оборудования, расплавленного и раскаленного металла, внезапное образование искр и брызг, манипуляции с тяжеловесными орудиями труда, металлом, шихтовым материалом, скрапом и огнеупорами являются нередкой причиной ожогов и других травм. По опасности травматизма заводы черной металлургии занимают одно из первых мест.

Основы развития технологий в черной металлургии

Анализ и экономическая оценка технологий базовых отраслей народного хозяйства

Развитие систем технологических процессов происходит путем выделения и специализации новых технологий и последующей их интеграции в более развитую и совершенную систему. Новая технология является итогом оригинальных научно-исследовательских разработок, но может быть и результатом использования известных (базовых) технологических процессов из смежных областей. Базовая технология тесно переплетена и сопряжена со смежными производствами, профессиональным опытом работников, с условиями потребления, человеческими интересами и т.п. Долгосрочное совершенствование базовой технологии во многих случаях оказывается значительно предпочтительнее коренной перестройки и замены старой технологии на качественно новую. Очевидно, что прогресс в области технологий позволяет получить тот же объем продукции с меньшими затратами труда и капитала. А достигнутое сегодня становится основой достижений и “технологических сдвигов” в будущем. Широкое внедрение технологических нововведений носит название “диффузии” технологий.

Длительная эволюция технологии — это неравномерный процесс. Один из важнейших путей эволюции состоит в со­вмещении двух или более известных технологий, которое по­зволяет упростить систему, интенсифицировать ее и, тем самым, усовершенствовать. В результате в дальнейшем долж­ны появиться принципиально новые технологии.

Эволюцию базовой технологии можно показать на приме­ре технологии крекинга метана:

Применение окислительной атмосферы и электроимпульсно­го воздействия на метан сделало возможным быструю адап­тацию технологической системы к воздействию плазмы — принципиально новой технологии, совмещающей как терми­ческие, так и электрические явления. Такой принцип совме­щения получил название “созидательного симбиоза” и доста­точно широко применяется в производстве.

Важнейшим фактором, способствующим ускорению смены технологий, является компьютеризация, позволяющая автома­тизировать не только производство, но и процесс переноса науч­ных знаний в производство, а также сам процесс получения новых знаний. Автоматизированные системы научных исследо­ваний, системы автоматизированного проектирования, гибкие автоматизированные производства выступают сегодня элемента­ми системы, позволяющей автоматически формировать новей­шие достижения науки. Прежде чем дать оценку новым прогрессивным технологиям, показать их особенности и преимущества перед традиционными, необходимо проанализировать техноло­гические системы базовых отраслей промышленности.

Металлургия — отрасль промышленности — система тех­нологических процессов, направленных на производство ме­таллов из их природных соединений (руд) и дальнейшую обработку этих металлов для придания им определенного вида и свойств. В связи с делением металлов на черные и цветные металлургия также делится на металлургию черных металлов и металлургию цветных металлов.

К металлургии черных металлов относятся предприятия, производящие чугун и сталь. Сталь и чугун — это сплавы на основе железа с углеродом, причем в сталях углерода может содержаться не более 2%, а в чугунах — от 2% и выше (до 6,67%). Кроме углерода и в сталях, и в чугунах присутству­ют так называемые неизбежные примеси (марганец, крем­ний, сера, фосфор), по-разному влияющие на их свойства. Сера и фосфор ухудшают свойства этих сплавов, а потому называются вредными; марганец и кремний являются полезными примесями. Традиционным процессом производства чу­гуна является доменный процесс, суть которого состоит в восстановлении железа из руд и его науглероживании.

Технологический процесс выплавки чугуна в доменной печи можно представить в виде системы, имеющей входы и выходы:

К технико-экономическим показателям данной технологической системы относятся:

коэффициент использования полезного объема доменной печи:

КИПО

где V_пол — полезный объем доменной печи,м 3 ;

Q_Cyт—производительность печи, т.

Полезный объем доменной печи — объем занятый исходными материалами (шихтой) и продуктами плавки.

Коэффициент расхода кокса:

где А — количество кокса, расходуемое для выплавки Т (тонн) чугуна.

Чем ниже эти показатели, тем более эффективно протекает доменный процесс. Анализ технико-экономических показателей позволяет сделать вывод о том, что для повышения производительности технологического процесса и снижения себестоимости чугуна необходимо:

1) усовершенствовать процесс подготовки исходных мате­риалов к плавке (вместо руды применить агломерат и окаты­ши, содержащие повышенный процент железа, пониженное количество вредных примесей и обладающих хорошей восста­новительной способностью);

2) усовершенствовать технологический процесс плавки (произвести частичную замену кокса природным газом, повы­сить температуру и давление вдуваемого в печь воздуха);

3) увеличить полезный объем доменной печи.

Главным продуктом доменной плавки является чугун. До­менные чугуны подразделяются на:

– передельные чугуны, идущие на переработку в сталь;

– литейные чугуны — полуфабрикат для производства ма­шиностроительных чугунов;

– ферросплавы — двойные сплавы железа с кремнием и марганцем, используемые для раскисления стали и других нужд металлургии.

Машиностроительные чугуны — чугуны, содержащие уг­лерод в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений меняются и прочностные свойства чугуна. Поэто­му чугуны классифицируются и маркируются не по химичес­кому составу, а по механическим свойствам на следующие группы:

1) Ковкий чугун, получаемый путем длительного сту­пенчатого отжига белого чугуна и содержащий углерод в виде графита хлопьевидной формы. Эти чугуны обладают более высокой пластичностью, чем серые, однако “ковкий” — название условное, обрабатывать чугун давлением нельзя. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ (ковкий чугун). Пер­вое число в марке показывает предел прочности чугуна на растяжения, второе — относительное удлинение, например, КЧ40-10;

2) Серый чугун — широко распространенный деше­вый конструкционный материал, обладающий оптимальными свойствами, содержит графит в форме игл или пластин, на­пример СУ21-40. Первое число означает предел прочности чугуна на растяжение, второе — предел прочности чугуна на изгиб;

3) Высокопрочный чугун обладает повышенной проч­ностью и имеет графит округлой (глобулярной) формы. Мар­кировка: ВЧ 60-2. Первое число — предел прочности чугуна на растяжение, второе — относительное удлинение.

Чугуны применяются в различных областях промышленности: для изготовления деталей машин, приборов, агрегатов, труб, в строительстве промышленных и гражданских зданий, мостов, в машиностроении, приборостроении применяют конструкции, изготовленные из стали. При работе под большими нагрузками (подкрановые балки, каркасы нижних этажей, многоэтажных зданий) стальные конструкции прочнее желе­зобетонных.

По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную.

В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3% угле­рода), среднеуглеродистые (0,3 — 0,6%С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6%С). Низкоуглеродистые применяются в качестве конструкционных сталей, высокоуглеродистые — инструментальных.

Легированные стали, помимо углерода и неизбежных при­месей, содержат еще такие элементы, как хром, никель, титан, молибден, вольфрам, ванадий и др. для придания им особых свойств (жаропрочности, кислотоупорности и т.д.).

Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей серы (S) и фосфора (Р), снижающих ее механические свойства.

Классифицируются стали по качеству, составу и назначению.

Углеродистые конструкционные стали маркируются буква­ми “Ст”, затем следует цифра, показывающая содержание углерода С в сотых долях процента, например, Ст 45 (0,45% С). Инструментальные стали маркируются буквой “У”. Цифра в марке показывает содержание углерода в десятых долях процента, например, У13 (1,3% С). В легированных сталях легирующий элемент обозначают буквой русского ал­фавита; его процентное содержание в стали — цифрой, например XI8H9T (18% Сг; 9% Ni; 1 — 1,5% Ti).

В современной металлургии сталь выплавляют в кисло­родных конвертерах, мартеновских печах и электрических печах (электродуговых и индукционных).

Для повышения качества стали применяют дополнительную внепечную ее обработку — рафинирование, вакуумирование, обработку синтетическим флюсом, электрошлаковый переплав и т.п.

Технологический процесс производства стали можно пред­ставить в виде системы, имеющей входы и выходы:

Анализируя вышеуказанные методы выплавки стали, необходимо отметить преимущественный рост количества стали, выплавляемой в кислородных конвертерах. Этот метод имеет существенные достоинства перед другими: он более экономичен, так как топлива для передела чугуна в сталь не требуется, а все тепло берется от собственных, протекающих в шихте, реакций; так как шихта продувается кислородом и плавка идет под слоем флюса, сталь получается хорошего качества; метод обладает вы­сокой производительностью. Один конвертер емкостью 250 т дает 1200 тыс. т стали в год, тогда как мартеновская печь вместимос­тью 500 т — около 400 тыс. т стали в год. В кислородном конвер­тере можно выплавлять низколегированные стали для листового и сортового проката труб, химического оборудования, для электротехнических целей и т.д. Однако более совершенным ме­тодом производства стали является ее выплавка в электропечах, позволяющих повышать температуру до 6000 °С. Это дает воз­можность получать стали с максимальным удалением вредных примесей (серы и фосфора) и с большим содержанием тугоплав­ких легирующих элементов. Недостаток метода — большая энер­гоемкость процесса, что повышает себестоимость стали.

Мартеновский способ выплавки стали отличается низкой производительностью, большими капитальными затратами, высокой себестоимостью стали. По этой причине мартенов­ские печи частично заменены на конвертеры, остальные — реконструированы в двухванные для улучшения технико-эко­номических показателей. В большинстве развитых стран этот метод выплавки стали вообще не применяется.

К новым технологическим процессам в черной металлур­гии относятся: технологический процесс получения синтети­ческого чугуна в индукционных печах и бескоксовый, бездо­менный процесс прямого восстановления железа.

Новый технологический процесс получения синтетическо­го чугуна в индукционных печах основан на использовании отходов, образующихся на машиностроительных заводах. Ка­чество чугуна, выплавляемого таким способом, высокое, что обеспечивается изотермической выдержкой расплава при до­статочно высоких температурах. Выплавка чугуна в индукци­онных печах расширяет возможности производства высоко­прочного чугуна различных марок и назначения, а также по­лучения чугуна с шаровидным графитом. Механические свой­ства такого чугуна почти на 100% выше, чем серого. Достоинствами данного метода являются высокая производи­тельность, снижение себестоимости (по сравнению с тради­ционными способами) на 15 — 25%, уменьшение безвозврат­ных потерь от угара в 6 – 7 раз.

Рассмотрим бескоксовый, бездоменный, метод прямого восстановления железа из железорудных концентратов с помощью водорода или природного газа. Суть этой технологии со­стоит в том, что мелкораздробленный железный концентрат, смешанный с водой, в виде пульпы подают с помощью насосов по трубе с месторождения на металлургический комбинат. Вода отделяется в специальных отстойниках и вновь поступает в водооборот. Из руды благодаря специальным добавкам и обработке во вращающихся барабанах получают окатыши — комки сферической формы размером 2 – 30 мм. Эти окатыши| направляются в шахтную печь. Там в процессе взаимодействия с водородом (или природным газом) оксиды железа вос­станавливаются до металла. В результате образуется губча­тое железо — полуфабрикат, содержащий до 85% основного компонента, который отправляется на переплавку в электропечах. Так получают высококачественную сталь. В результате сокращается технологический цикл (отсутствует доменное и коксохимическое производство), экономятся ресурсы, уменьшается потребность в воде, практически отсутствую вредные выбросы.

Среди принципиально новых методов, позволяющих получать конструкционные материалы, в частности сталь несравненно более высокого качества, с большой надежностью и долговечностью, являются специальные методы рафинирования расплава. Это — электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), плазменно-дуговой (ПДП) и электронно-лучевой переплав (ЭЛП), вакуумная индукционная плавка и плазменная плавка. Общая особенность процессов специальной электрометаллургии состоит в том, что создаются благоприятные условия для рафинирования жид­кой стали с использованием расплавленного токопроизводящего шлака (при ЭШП), вакуума (при ВДП, ВИП и ЭЛП), инертной атмосферы (при ПДП) и перегрева жидкой стали в любом процессе.

Электрошлаковый переплав позволяет значительно повысить пластичность стали, в результате чего упрощается процесс и сокращается трудоемкость горячей обработки дав­лением, в том числе прокатки труб, штамповки и прессовки давлением, в том числе прокатка труб, штамповка и прессова­ние изделий из жаростойких и жаропрочных сталей. С помо­щью ЭШП снижается металлоемкость, экономятся затраты живого труда.

Рассмотрим технико-экономические показатели сталеплавильного производства.

Экономическая эффективность работы конвертера:

,

где П — годовая производительность конвертера, т в год;

Т— масса металлической шихты, т;

1440 — число минут в сутках

a — выход годных слитков, т;

n — длительность плавки, мин.;

t — число рабочих суток в году;

Основным показателем, характеризующим производительность мартеновской печи, является съем стали с одного квад­ратного метра площади пода печи в сутки С (т/м 2 ):

где P — суточная производительность, т;

S — площадь пода печи, м 2 .

Производительность электропечей определяется по формуле:

,

где П — годовая производительность печи, т;

n — число рабо­чих суток в году;

Т — продолжительность плавки, ч;

b — масса металлической шихты на одну плавку, т;

а — выход год­ных слитков из металла шихты, %.

Себестоимость электростали определяется расходом ме­таллической шихты на одну тонну годных слитков и стоимос­тью передела. Она включает также расход электроэнергии, электродов, огнеупоров, изложниц и зарплату персонала.

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ;

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 производство 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 пустой породы (состоящей в основном из SiO₂ и А1₂О₃), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой в основном смесь сили­катов и алюминатов кальция.

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. Полез­ный объем печи — 2000. 3000 м 3 , а суточная производительность — 5000. 7000 т. В печь (рис. 7.1) 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 Истекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают четэез летки 1 и S в

ковш. На каждую тонну чугуна полу­чается около 0,6 т огненно-жидкого ишака.

| Доменный шлак — ценное сырье для получения строитель­ных материалов: шлакопортланд-цемента, 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 га-

зами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий.Стальные слитки — полуфабрикат, из которого 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 холодном со­стоянии. Сортамент стали горячего проката — сталь круглая, квадрат­ная, полосовая, уголковая разнобокая 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.

7.4. СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Сталь наряду с бетонами — главнейший конструкционный матери­ал. Широкому использованию в строительстве сталь обязана высоким физико-механическим показателям, технологичности (возможности получения из нее конструкций различными методами) и большими объемами производства. Ниже рассмотрены основные технические характеристики стали и приведены численные значения некоторых характеристик сталей различного состава и строения.

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

Прочностные и деформативные свойст­ва стали обычно определяются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение — деформация». Сталь, как и другие металлы, ведет- себя как упруго-пластичный материал (рис. 7.2). В начале испытаний деформации у стали про­порциональны напряжениям. Максималь­ное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется предел пропор­циональности а_у (при этом напряжении ос­таточные деформации не должны превы­шать 0,05 %).

При дальнейшем повышении напряже­ния начинает проявляться текучесть стали — быстрый рост деформаций при неболь­шом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее началу течения, называют пг>едел текучести ст_.

затем наступает некоторое замедление сопротивление; д_р – предел проч-роста деформаций при подъеме напряже- нос ™

ний («временное упрочнение»), после чего наступает разрушение об­разца, называется временным сопротивлением а_в, что является факти­ческим пределом прочности стали (Д,).

Относительное удлинение стали е в момент разрыва характеризует ее пластичность. Оно рассчитывается по формуле:

где / — начальная длина расчетной части образца, мм; 1_Х — длина этой части в момент разрыва образца, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механи­ческих свойств сталей. Модуль упругости стали составляет 2,1 • 10 5 МПа.

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентера (закаленного ша­рика или алмазной пирамидки) в испытуемуто сталь. Твердость вычис­ляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цемента­цией — насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закал­кой токами высокой частоты).

Ударная вязкость — свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у СтЗ удар­ная вязкость при + 20° С составляет 0,5. 1 МДж/м 2 , а при —20° С —

Технологические свойства. Технологические испытания стали пока­зывают ее способность принимать определенные деформации, анало­гичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего производят пробу на холодный загиб.

При испытании на загиб (рис. 7.3) определяются не усилия для осуществления деформации, а условия (угол загиба, диаметр оправки), при которых возможно протекание деформации без нарушения сплош­ности образца (т. е. без появления трещин и расслоения). Чем пла­стичнее сталь, тем меньше диаметр оправки при испытаниях (см. табл.

Для стальной проволоки подобные испытания проводятся на уста­новке, позволяющей перегибать проволоку на заданный угол. Мерой пластичности служит число перегибов проволоки до разрушения.

Теплотехнические свойства сталей в малой степени зависят от ее

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и

составляет около 70 Вт/(м К).

Коэффициент линейного термического расширения стали составляет

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500..Л300° С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150° С).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагревании в ней происходят полиморфные превращения, приводящие к сниже­нию прочности. Небольшая 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, покрытием цементными растворами.

7.5. УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Металлические конструкции, арматуру для железобетона, трубы, крепежные детали и другие строительные изделия изготовляют, как правило, из конструкционных углеродистых сталей. Конструкционные легированные стали используют только дня особо ответственных ме­таллических конструкций и арматуры для предварительно напряжен­ного бетона. Однако благодаря эффективности объем использования легированных сталей постоянно расширяется.

Углеродистые стали— это сплавы, содержащие железо, углерод, марганец и кремний, а также вредные примеси — серу и фосфор, снижающие механические свойства стали (их содержание не должно превышать 0,05. 0,06 %). В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на низко- (до 0,25 % углерода), средне- (0,25. 0,6 %) и высокоуглеродистые (> 0,6 %). С увеличением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали объясняется увеличением содержания в стали твердого компонента — цементита.

Углеродистые стали по назначению подразделяют на стали общего назначения и инструментальные.

Углеродистые стали общего назначения подразделяют на три груп­пы: А, Б и В.

Стали группы А изготовляют марок СтО, Ст1 и т. д. до Стб и поставляют потребителю с гарантированными механическими свойст­вами без уточнения химического состава. Чем больше номер стали, тем [больше в ней содержится углерода: в стали СтЗ — 0,14. 0,22 %углерода, |в стали Ст5 — 0,28. 0,37 %. Механические свойства стали группы А йриведены в табл. 7.2.

г Из стали марок Ст1 и Ст2, характеризующейся высокой пластич­ностью, изготовляют заклепки, трубы, резервуары и т. п.; из сталей ргЗ и Ст5 — горячекатаный листовой и фасонный прокат, из которого выполняют металлические конструкции и большинство видов армату­ры для железобетона. Эти стали хорошо свариваются и обрабатываются.

Стали группы Б (БСтО, БСт1, БСтЗ и т. д.) поставляют с гаранти­рованным химическим составом; стали группы В— с гарантированным

химическим составом и механическими ™*^„*™^^ деленности химического состава стали групп Б и Б можно подвергать термической обработке.

Легированные сталипомимо компонентов, входящих в углероди­стые стали, содержат так называемые легирующие элементы, которые повышают качество стали и придают ей особые свойства. К легирую щим элементам относятся: марганец (условное обозначение — Г). кремний — С, хром — X, никель — Н, молибден — М, медь — Д v другие элементы. Каждый элемент оказывает свое влияние на сталь марганец повышает прочность, износостойкость стали и сопротивление ударным нагрузкам без снижения ее пластичности, кремний повышас упругие свойства, никель и хром улучшают механические свойства повышают жаростойкость и коррозионную стойкость; молибден улуч шает механические свойства стали при нормальной и повышенно!

Легированные стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами (нержавею­щие, жаростойкие и др.). Для строительных целей применяют е основном конструкционные стали.

Конструкционные низколегированные стали содержат не более 0,6 % углерода. Основные легирующие элементы низколегированны? сталей: кремний, марганец, хром, никель. Другие легирующие элемен­ты вводят в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшит] свойства стали. Общее содержание легирующих элементов не превы

Низколегированные стали обладают наилучшими механическим)

свойствами после термической обработки.

При маркировке легированных сталей первые две цифры показы вают содержание углерода в сотых долях процента, следующие за н№ буквы — условное обозначение легирующих элементов. Если количе

Металлургия

Металл с давних времен стал незаменимым элементом в повседневной жизни человека. Благодаря ему у нас есть возможность использования электроэнергии, транспорта, гаджетов и других благ цивилизации. Именно поэтому металлургию можно считать ключевой отраслью промышленности каждого государства. Металлургия – это отрасль тяжелой промышленности, в которую вовлечены множество финансовых, материальных, энергетических и человеческих ресурсов.

Современная металлургия достигла значительного развития. Благодаря достижениям науки, у нас есть возможность использовать не только металлы, данные нам природой, но и инновационные композитные материалы и сплавы. Они обладают улучшенными свойствами и характеристиками.

Классификация разновидностей металлургии

Выплавка металлов требует колоссального объема энергии и ресурсов, поэтому большинство горнодобывающих предприятий работают именно для обеспечения потребностей металлургии.

Для дальнейшего изучения особенностей этой отрасли следует выделить ее основные виды. На сегодняшний день выделяют две основные отрасли: черную и цветную металлургию.

Черная отвечает за производство сплавов на основе железа. В то же время к ней относят другие элементы, такие как хром и марганец. Все остальное производство изделий из других металлов называют цветным.

Технология производства имеет схожий цикл, независимо от типа сырья, и состоит из нескольких этапов, указанных ниже:

1. Добыча сырья и ее переработка. Большинство металлов не содержится в природе в чистом виде, а входит в состав различных руд, переработка которых называется обогащением. В процессе обогащения руду дробят на мелкие составляющие, из которых в процессе сепарации отделяют элементы метала и пустую породу. Из выделенных элементов производят сплавы.
2. Передел. Металлургическим пределом называют процесс изготовления полуфабрикатов, которые в свою очередь применяются для изготовления готовых продуктов. В процессе передела изменяется состав, структура и свойства сплавов, а также агрегатное состояние. К переделу можно отнести прокат и обжатие, трубное производство, плавку и разливку.
3. Переработка отходов. Большинство отходов металлургического производства либо утилизируют, либо перерабатывают, получая другие полезные продукты. Некоторая часть пустой породы и шлаков складываются на территории больших хранилищ под открытым воздухом. Но на сегодняшний день производители стараются максимально эффективно перерабатывать побочную продукцию. Некоторые шлаки повторно обрабатывают, получая дополнительный продукт, некоторые используют для производства сельскохозяйственных удобрений, но большинство уходит на изготовление строительных материалов, которые широко используются в повседневной жизни.

Большая часть производимого металла проходит стадию проката, то есть изготовления полуфабрикатов для производства готовой продукции. Подобную операцию выполняют на специальном устройстве, которое представляет собой систему вращающихся валков. Между ними пропускают металл, который под высоким давлением меняет толщину, ширину и длину.

Выделяют холодный и горячий прокат, отличия которых заключаются в разной температуре обрабатываемого сырья. Холодный прокат применяется для сырья, имеющего высокий уровень пластичности, что позволяет сохранять структуру металла и не изменять его физические свойства.

Процесс проката не всегда является конечным этапом производства полуфабрикатов. Например, для изделий черной металлургии могут применяться такие методы обработки, как покрытие защитным слоем или закалка. Это позволяет улучшить устойчивость к коррозии, повысить прочность и снизить степень износа.

Следует отметить, что большую часть продукции, производимой металлургической отраслью, составляют стальные трубы. На втором месте расположился листовой и сортовой металл, применяющейся в машиностроении.

Среди главных потребителей продукции этой сферы стоит выделить строительную сферу, машиностроение и металлообработку.

При этом практически каждая сфера народного хозяйства не может обойтись от использования продукции металлургии, а также заготовок и полуфабрикатов из него.

Черная металлургия

Черная металлургия основывается на переработки железа, а именно руд, в которых оно содержится. Большинство железных руд являются природными оксидами. Именно поэтому первым этапом производства является выделение железа из оксида. Для этого используют большие доменные печи. Данный способ производства чугуна проводится при температуре свыше 1000 градусов.

При этом свойства полученного сырья напрямую зависят от температуры доменной печи и времени плавления. При дальнейшей обработке чугуна получают сталь или литейный чугун, с помощью которого выполняют отлив заготовок и изделий.

Для производства стали используют железо и углерод, добавление которого придает полученному сплаву желаемые свойства. Также могут применяться различные легирующие компоненты, необходимые для получений определенных особенностей стали.

Существует несколько способов производства стали, которые основываются на выплавке металла в жидком состоянии. Следует выделить следующие: мартеновский, кислородно-конверторный и электроплавильный.

Каждый вид стали называется маркой, которая указывает на ее состав и свойства. Для изменения свойств стали используют метод легирования, то есть добавления в сплав дополнительных компонентов. Наиболее часто для подобных целей используют такие элементы, как хром, марганец, бор, никель, вольфрам, титан кобальт, медь и алюминий. Обычно такие компоненты добавляют в расплавленную сталь.

Но существует иной способ, который заключается в прессовании мелкозернистого порошка компонентов с последующим запеканием при высоких температурах.

Цветная металлургия

Производство такой продукции мало чем отличается от технологий черной металлургии. Цикл цветной металлургии также состоит из обогащения руд, плавки металлов, переделки и проката. Но в некоторых случаях может применяться также рафинирование металлов, то есть очищение первичных продукта от примесей.

Очищение руды цветных металлов более сложная задача, так как она содержит намного больше сторонних примесей, в том числе других полезных компонентов. Как и в черной металлургии, побочная продукция цветной широко применяется в перерабатывающей промышленности, особенно в химическом производстве.

Следует выделить две подотрасли: металлургию тяжелых и легких металлов. Принцип подобного деления основывается на различных свойствах обрабатываемых цветных металлов. При производстве тяжелых металлов требуется значительно меньше энергии.

Иногда выделяют третью группу, так называемых, редкоземельных металлов. Такое название связано с тем, что раньше такие элементы были малоизучены и редко находились в природных условиях. Хотя на самом деле их количество не уступает многим тяжелым или легким цветным металлам. Их используют обычно при производстве высокотехнологичных приборов.

Изделия этой отрасли широко применяются в машиностроении, космической сфере, химической промышленности и приборостроении.

Добывающая металлургия

Это сфера промышленности, отвечающая за извлечение ценных металлов из руд¸ переплавки полученного сырья и получения готового продукта. Отделение металла от пустой породы и других шлаков может производиться путем химического, электролитического или физического воздействия.

Главная задача этой отрасли металлургии – оптимизация процесса выделения чистого металла, качественное отделение полезных компонентов от пустой породы и минимизация потерь.

Металлы используются в различных целях, как для изготовления различных драгоценностей и бижутерии, так и в высокотехнологических сферах. Например, в строении высокоточных приборов, современных гаджетов, компьютеров и других электроприборов. А также в космической сфере, авиастроении, и других сферах, где требуются особые свойства, которые имеют только ценные металлы.

Следует отметить, что раньше металлургия ориентировалась строго на переработку добываемого сырья. Но в последнее время, в связи с тем, что металлы не восстанавливающийся ресурс, острой стала проблема переработки вторичного сырья.

Повторной переработке подвержены цветные и черные металлы. Поэтому производители стараются максимально эффективно и в полной мере собирать и перерабатывать металлические изделия, вышедшие из эксплуатации. Рынок металлолома постоянно растет, в связи с чем растет количество больших и малых перерабатывающих предприятий. Их задача заключается в очищении металлов от сопутствующих материалов и последующей переплавки. Для сохранения качественной структуры и свойств, вторсырье плавят вместе со свежедобытым сырьем.

Дальнейшее развитие невозможно только с использованием природных ресурсов, количество которых постоянно уменьшается. Поэтому главной задачей на сегодняшний день можно считать переработку вторсырья и поиск аналогов, способны полноценно заменить металлы.

Развитие металлургии напрямую связано с интеллектуальным развитием человечества и его потребностей. Так как новые технологии требуют от уже существующих металлов улучшенных свойств и характеристик, а также создания инновационных сплавов, не имеющих аналогов ранее.