Сталь
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Сталь, Ñплави заліза з вуглецем Ñкі міÑÑ‚ÑÑ‚ÑŒ до 1,7% вуглецю.
За вміÑтом вуглецю Ñталі поділÑÑŽÑ‚ÑŒ на дві групи: м'Ñку, що міÑтить до 0,3% вуглецю, Ñ– тверду, що міÑтить від 0,3 до 1,7% вуглецю. Ðœ'Ñку Ñталь називають також технічним залізом.
ЗміÑÑ‚[Ñховати] |
[ред.] Виробництво Ñталі
Суть процеÑу переробки чавуну на Ñталь полÑгає у зменшенні до потрібної концентрації вміÑту вуглецю Ñ– шкідливих домішок — фоÑфору Ñ– Ñірки, Ñкі роблÑÑ‚ÑŒ Ñталь крихкою Ñ– ламкою.
Залежно від ÑпоÑобу окиÑÐ½ÐµÐ½Ð½Ñ Ð²ÑƒÐ³Ð»ÐµÑ†ÑŽ Ñ–Ñнують різні ÑпоÑоби переробки чавуну на Ñталь: конверторний, мартенівÑький Ñ– електротермічний. Ðайбільш поширений мартенівÑький ÑпоÑіб, за Ñким одержують понад 80% Ñвітової виробки Ñталі. Конверторний ÑпоÑіб. За цим ÑпоÑобом окиÑÐ½ÐµÐ½Ð½Ñ Ð½Ð°Ð´Ð»Ð¸ÑˆÐºÑƒ вуглецю та інших домішок чавуну проводÑÑ‚ÑŒ киÑнем повітрÑ, Ñкий продувають крізь розплавлений чавун під тиÑком у Ñпеціальних печах — конверторах (риÑ. 32). Конвертор ÑвлÑÑ” Ñобою грушоподібну Ñтальну піч, футеровану вÑередині вогнетривкою цеглою. Він може повертатиÑÑ Ð½Ð°Ð²ÐºÐ¾Ð»Ð¾ Ñвоєї оÑÑ–. МіÑткіÑÑ‚ÑŒ конвертора 50—60 Ñ‚ Ñталі. Матеріалом його футеровки Ñлужить або Ð´Ð¸Ð½Ð°Ñ (до Ñкладу Ñкого входÑÑ‚ÑŒ головним чином SiO2; що має киÑлотні влаÑтивоÑÑ‚Ñ–), або доломітна маÑа (Ñуміш CaO Ñ– MgO, Ñкі одержують з доломіту MgCO3 • CaCO3. Ð¦Ñ Ð¼Ð°Ñа має оÑновні влаÑтивоÑÑ‚Ñ–. Залежно від матеріалу футеровки печі конверторний ÑпоÑіб поділÑÑŽÑ‚ÑŒ на два види: беÑÑемерівÑький Ñ– томаÑівÑький.
[ред.] БеÑÑемерівÑький ÑпоÑіб
БеÑÑемерівÑьким ÑпоÑобом перероблÑÑŽÑ‚ÑŒ чавуни, Ñкі міÑÑ‚ÑÑ‚ÑŒ мало фоÑфору Ñ– Ñірки й багаті на Ñиліцій (не менше 2%). При продуванні киÑню Ñпочатку окиÑнюєтьÑÑ Ñиліцій з виділеннÑм значної кількоÑÑ‚Ñ– тепла. ВнаÑлідок цього початкова температура чавуну приблизно з 1300°С швидко піднімаєтьÑÑ Ð´Ð¾ 1500—1600°С. ВигорÑÐ½Ð½Ñ 1% Si обумовлює Ð¿Ñ–Ð´Ð²Ð¸Ñ‰ÐµÐ½Ð½Ñ Ñ‚ÐµÐ¼Ð¿ÐµÑ€Ð°Ñ‚ÑƒÑ€Ð¸ на 200°С.
Близько 1500°С починаєтьÑÑ Ñ–Ð½Ñ‚ÐµÐ½Ñивне вигорÑÐ½Ð½Ñ Ð²ÑƒÐ³Ð»ÐµÑ†ÑŽ. Разом з ним інтенÑивно окиÑнюєтьÑÑ Ð¹ залізо, оÑобливо під кінець вигорÑÐ½Ð½Ñ Ñиліцію Ñ– вуглецю:
- Si + O2 = SiO2
- 2C + O2 = 2CO ↑
- 2Fe + O2 = 2FeO
МоноокÑид заліза FeO, що утворюєтьÑÑ, добре розчинÑєтьÑÑ Ð² розплавленому чавуні Ñ– чаÑтково переходить у Ñталь, а чаÑтково реагує з SiO2 й у виглÑді Ñилікату заліза FeSiO3 переходить у шлак:
- FeO + SiO2 = FeSiO3
ФоÑфор повніÑÑ‚ÑŽ переходить з чавуну в Ñталь, бо P2O5 при надлишку SiO2 не може реагувати з оÑновними окÑидами, оÑкільки SiO2 з оÑтанніми реагує більш енергійно. Тому фоÑфориÑÑ‚Ñ– чавуни перероблÑти в Ñталь цим ÑпоÑобом не можна.
УÑÑ– процеÑи в конверторі йдуть швидко — протÑгом 10— 20 хвилин, бо киÑень повітрÑ, що продуваєтьÑÑ Ñ‡ÐµÑ€ÐµÐ· чавун, реагує з відповідними речовинами відразу по вÑьому об'єму металу. При продуванні повітрÑ, збагаченого киÑнем, процеÑи приÑкорюютьÑÑ.
МоноокÑид вуглецю CO, що утворюєтьÑÑ Ð¿Ñ€Ð¸ вигорÑнні вуглецю, пробулькуючи вгору, згорÑÑ” там, утворюючи над горловиною конвертора факел Ñвітлого полум'Ñ, Ñкий в міру вигорÑÐ½Ð½Ñ Ð²ÑƒÐ³Ð»ÐµÑ†ÑŽ зменшуєтьÑÑ, а потім зовÑім зникає, що Ñ– Ñлужить ознакою Ð·Ð°ÐºÑ–Ð½Ñ‡ÐµÐ½Ð½Ñ Ð¿Ñ€Ð¾Ñ†ÐµÑу.
Одержувана при цьому Ñталь міÑтить значні кількоÑÑ‚Ñ– розчи-ненбго моноокÑиду заліза FeO, Ñкий Ñильно знижує ÑкіÑÑ‚ÑŒ Ñталі. Тому перед розливною Ñталь треба обов'Ñзково розкиÑнювати за допомогою різних розкиÑників — фероÑиліцію, феромангану або алюмінію:
- 2FeO + Si =2Fe + SiO2
- FeO + Mn = Fe + MnO
- 3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3
МоноокÑид мангана MnO Ñк оÑновний окÑид реагує з SiO2 Ñ– утворює Ñилікат мангана MnSiO3, Ñкий переходить у шлак. ОкÑид алюмінію Ñк нерозчинна при цих умовах речовина теж Ñпливає наверх Ñ– переходить у шлак. Ðезважаючи на проÑтоту Ñ– велику продуктивніÑÑ‚ÑŒ, беÑÑемерівÑький ÑпоÑіб тепер не доÑить поширений, оÑкільки він має Ñ€Ñд Ñ–Ñтотних недоліків. Так, чавун Ð´Ð»Ñ Ð±ÐµÑÑемерівÑького ÑпоÑобу повинен бути з найменшим вміÑтом фоÑфору Ñ– Ñірки, що далеко не завжди можливо. При цьому ÑпоÑобі відбуваєтьÑÑ Ð´ÑƒÐ¶Ðµ велике вигорÑÐ½Ð½Ñ Ð¼ÐµÑ‚Ð°Ð»Ñƒ, Ñ– вихід Ñталі Ñтановить лише 90% від маÑи чавуну, а також витрачаєтьÑÑ Ð±Ð°Ð³Ð°Ñ‚Ð¾ розкиÑників. Серйозним недоліком Ñ” неможливіÑÑ‚ÑŒ Ñ€ÐµÐ³ÑƒÐ»ÑŽÐ²Ð°Ð½Ð½Ñ Ñ…Ñ–Ð¼Ñ–Ñ‡Ð½Ð¾Ð³Ð¾ Ñкладу Ñталі.
БеÑÑемерівÑька Ñталь міÑтить звичайно менше 0,2% вуглецю Ñ– викориÑтовуєтьÑÑ Ñк технічне залізо Ð´Ð»Ñ Ð²Ð¸Ñ€Ð¾Ð±Ð½Ð¸Ñ†Ñ‚Ð²Ð° дроту, болтів, дахового заліза тощо.
[ред.] ТомаÑівÑький ÑпоÑіб
ТомаÑівÑьким ÑпоÑобом перероблÑÑŽÑ‚ÑŒ чавун з великим вміÑтом фоÑфору (до 2% Ñ– більше). ОÑновна відмінніÑÑ‚ÑŒ цього ÑпоÑобу від беÑÑемерівÑького полÑгає в тому, що футеровку конвертора роблÑÑ‚ÑŒ з окÑидів магцію Ñ– кальцію (Ñкі одержують з доломіту MgCO3 • CaCO3). Крім того, до чавуну додають ще до 15% CaO. ВнаÑлідок цього шлакотвірні речовини міÑÑ‚ÑÑ‚ÑŒ значний надлишок окÑидів з оÑновними влаÑтивоÑÑ‚Ñми.
У цих умовах фоÑфатний ангідрид P2O5, Ñкий виникає при згорÑнні фоÑфору, взаємодіє з надлишком CaO з утвореннÑм фоÑфату кальцію, що переходить у шлак:
- 4P + 5O2 = 2P2O5
- P2O5 + 3CaO = Ca3(PO4)2
Ð ÐµÐ°ÐºÑ†Ñ–Ñ Ð³Ð¾Ñ€Ñ–Ð½Ð½Ñ Ñ„Ð¾Ñфору Ñ” одним з головних джерел тепла при цьому ÑпоÑобі. При згорÑнні 1 % фоÑфору температура конвертора піднімаєтьÑÑ Ð½Ð° 150°С.
Сірка видалÑєтьÑÑ Ð² шлак у виглÑді нерозчинного в розплавленій Ñталі Ñульфіду кальцію CaS, Ñкий утворюєтьÑÑ Ð²Ð½Ð°Ñлідок взаємодії розчинного FeS з CaO за реакцією:
- FeS + CaO = FeO + CaS
УÑÑ– оÑтанні процеÑи відбуваютьÑÑ Ñ‚Ð°Ðº Ñамо, Ñк Ñ– при беÑÑемерівÑькому ÑпоÑобі. Ðедоліки томаÑівÑького ÑпоÑобу такі ж, Ñк Ñ– беÑÑемерівÑького. ТомаÑівÑька Ñталь також маловуглецева Ñ– викориÑтовуєтьÑÑ Ñк технічне залізо Ð´Ð»Ñ Ð²Ð¸Ñ€Ð¾Ð±Ð½Ð¸Ñ†Ñ‚Ð²Ð° дроту, дахового заліза тощо.
Ð’ СРСРтомаÑівÑький ÑпоÑіб заÑтоÑовують Ð´Ð»Ñ Ð¿ÐµÑ€ÐµÑ€Ð¾Ð±ÐºÐ¸ фоÑфориÑтого чавуну з керченÑького бурого залізнÑку. Одержуваний при цьому шлак міÑтить до 20% P2O5. Його розмелюють Ñ– заÑтоÑовують Ñк фоÑфорне добриво на киÑлих ґрунтах.
[ред.] МартенівÑька піч
МартенівÑький ÑпоÑіб відрізнÑєтьÑÑ Ð²Ñ–Ð´ конверторного тим, що Ð²Ð¸Ð¿Ð°Ð»ÑŽÐ²Ð°Ð½Ð½Ñ Ð½Ð°Ð´Ð»Ð¸ÑˆÐºÑƒ вуглецю в чавуні відбуваєтьÑÑ Ð·Ð° рахунок не лише киÑню повітрÑ, а й киÑню окÑидів заліза, Ñкі додаютьÑÑ Ñƒ виглÑді залізної руди й іржавого залізного брухту.
МартенівÑька піч ÑкладаєтьÑÑ Ð· плавильної ванни, перекритої ÑклепіннÑм з вогнетривкої цегли, Ñ– оÑобливих ка-мер-регенераторів Ð´Ð»Ñ Ð¿Ð¾Ð¿ÐµÑ€ÐµÐ´Ð½ÑŒÐ¾Ð³Ð¾ підогріву Ð¿Ð¾Ð²Ñ–Ñ‚Ñ€Ñ Ñ– горючого газу. Регенератори заповнені наÑадкою з вогнетривкої цегли. Коли перші два регенератори нагріваютьÑÑ Ð¿Ñ–Ñ‡Ð½Ð¸Ð¼Ð¸ газами, горючий газ Ñ– Ð¿Ð¾Ð²Ñ–Ñ‚Ñ€Ñ Ð²Ð´ÑƒÐ²Ð°ÑŽÑ‚ÑŒÑÑ Ð² піч через розжарені третій Ñ– четвертий регенератор. Через деÑкий чаÑ, коли перші два регенератори нагріваютьÑÑ, потік газів ÑпрÑмовують у протилежному напрÑмку Ñ– Ñ‚. д.
Плавильні ванни потужних мартенівÑьких печей мають довжину до 16 ж, ширину до 6 м Ñ– виÑоту понад 1 м. МіÑткіÑÑ‚ÑŒ таких ванн доÑÑгає 500 Ñ‚ Ñталі. Ð’ плавильну ванну завантажують залізний брухт Ñ– залізну руду. До шихти додають також вапнÑк Ñк флюÑ. Температура печі підтримуєтьÑÑ Ð¿Ñ€Ð¸ 1600— 1650°С Ñ– вище. ВигорÑÐ½Ð½Ñ Ð²ÑƒÐ³Ð»ÐµÑ†ÑŽ Ñ– домішок чавуну в перший період плавки відбуваєтьÑÑ Ð³Ð¾Ð»Ð¾Ð²Ð½Ð¸Ð¼ чином за рахунок надлишку киÑню в горючій Ñуміші за тими ж реакціÑми, що Ñ– в конверторі, а коли над розплавленим чавуном утворитьÑÑ ÑˆÐ°Ñ€ шлаку — за рахунок окÑидів заліза
- 4Fe2O3 + 6Si = 8Fe + 6SiO2
- 2Fe2O3 + 6Mn = 4Fe + 6MnO
- Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO ↑
- 5Fe2O3 + 2P = 10FeO + P2O5
- FeО + С = Fe + CO ↑
ВнаÑлідок взаємодії оÑновних Ñ– киÑлотних окÑидів утворюютьÑÑ Ñилікати Ñ– фоÑфати, Ñкі переходÑÑ‚ÑŒ у шлак. Сірка теж переходить у шлак у виглÑді Ñульфіду кальцію:
- MnO + SiO2 = MnSiO3
- 3CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2
- FeS + CaO = FeO + CaS
МартенівÑькі печі, Ñк Ñ– конвертори, працюють періодично. ПіÑÐ»Ñ Ñ€Ð¾Ð·Ð»Ð¸Ð²ÐºÐ¸ Ñталі піч знову завантажують шихтою Ñ– Ñ‚. д. ÐŸÑ€Ð¾Ñ†ÐµÑ Ð¿ÐµÑ€ÐµÑ€Ð¾Ð±ÐºÐ¸ чавуну в Ñталь у мартенах відбуваєтьÑÑ Ð²Ñ–Ð´Ð½Ð¾Ñно повільно протÑгом 6—7 годин. Ðа відміну від конвертора в мартенах можна легко регулювати хімічний Ñклад Ñталі, додаючи до чавуну залізний брухт Ñ– руду в тій чи іншій пропорції. Перед закінченнÑм плавки Ð½Ð°Ð³Ñ€Ñ–Ð²Ð°Ð½Ð½Ñ Ð¿ÐµÑ‡Ñ– припинÑÑŽÑ‚ÑŒ, зливають шлак, а потім додають розкиÑники. Ð’ мартенах можна одержувати Ñ– леговану Ñталь. Ð”Ð»Ñ Ñ†ÑŒÐ¾Ð³Ð¾ в кінці плавки додають до Ñталі відповідні метали або Ñплави.
[ред.] Електротермічний ÑпоÑіб
Електротермічний ÑпоÑіб має перед мартенівÑьким Ñ– оÑобливо конверторним цілий Ñ€Ñд переваг. Цей ÑпоÑіб дозволÑÑ” одержувати Ñталь дуже виÑокої ÑкоÑÑ‚Ñ– Ñ– точно регулювати Ñ—Ñ— хімічний Ñклад. ДоÑтуп Ð¿Ð¾Ð²Ñ–Ñ‚Ñ€Ñ Ð² електропіч незначний, тому значно менше утворюєтьÑÑ Ð¼Ð¾Ð½Ð¾Ð¾ÐºÑиду заліза FeO, що забруднює Ñталь Ñ– знижує Ñ—Ñ— влаÑтивоÑÑ‚Ñ–. Температура в електропечі — не нижче 2000°С. Це дозволÑÑ” провÑідити плавку Ñталі на Ñильно оÑновних шлаках (що важко плавлÑÑ‚ÑŒÑÑ), при Ñких повніше видалÑєтьÑÑ Ñ„Ð¾Ñфор Ñ– Ñірка. Крім того, завдÑки дуже виÑокій температурі в електропечах можна легувати Ñталь тугоплавкими металами — молібденом Ñ– вольфрамом. Ðле в електропечах витрачаєтьÑÑ Ð´ÑƒÐ¶Ðµ багато електроенергії — до 800 квт. год на 1 Ñ‚ Ñталі. Тому цей ÑпоÑіб заÑтоÑовують лише Ð´Ð»Ñ Ð¾Ð´ÐµÑ€Ð¶Ð°Ð½Ð½Ñ Ð²Ð¸ÑокоÑкіÑної ÑпецÑталі.
Електропечі бувають різної міÑткоÑÑ‚Ñ– — від 0,5 до 180 Ñ‚. Футеровку печі роблÑÑ‚ÑŒ звичайно оÑновною (з CaO Ñ– MgO). Склад шихти може бути різний. Інколи вона ÑкладаєтьÑÑ Ð½Ð° 90% із залізного брухту Ñ– на 10% із чавуну, інколи у ній переважає чавун з добавками у певній пропорції залізної руди Ñ– залізного брухту. До шихти додають також вапнÑк або вапно Ñк флюÑ. Хімічні процеÑи при виплавці Ñталі в електропечах Ñ‚Ñ– ж Ñамі, що Ñ– в мартенах.
[ред.] ВлаÑтивоÑÑ‚Ñ– Ñталі
Сталь доÑить плаÑтична, Ñ—Ñ— можна кувати, прокатувати, штампувати. Характерною оÑобливіÑÑ‚ÑŽ Ñталі Ñ” Ñ—Ñ— здатніÑÑ‚ÑŒ загартовуватиÑÑŒ. ЗагартуваннÑм називають швидке Ð¾Ñ…Ð¾Ð»Ð¾Ð´Ð¶ÐµÐ½Ð½Ñ (наприклад, у воді) Ñильно розжареної Ñталі. При цьому вона Ñтає дуже твердою (загартованою). Якщо загартовану Ñталь нагріти до виÑокої температури Ñ– повільно охолодити, то вона Ñтає м'Ñгшою. Таку Ñталь називають відпущеною. Чим багатша Ñталь на вуглець, тим вона твердіша піÑÐ»Ñ Ð·Ð°Ð³Ð°Ñ€Ñ‚ÑƒÐ²Ð°Ð½Ð½Ñ. Сталь із вміÑтом вуглецю до 0,3% (технічне залізо) загартовуванню не піддаєтьÑÑ.
За хімічним Ñкладом Ñталі поділÑÑŽÑ‚ÑŒ на вуглецеві, або проÑÑ‚Ñ–, Ñ– леговані. Легованими, або Ñпеціальними, називають Ñталі, Ñкі міÑÑ‚ÑÑ‚ÑŒ добавки інших металів з метою Ð½Ð°Ð´Ð°Ð½Ð½Ñ Ñталі тих чи інших влаÑтивоÑтей. Як легуючі елементи найчаÑтіше заÑтоÑовують хром, нікель, манган, Ñиліцій, вольфрам, молібден Ñ– ванадій, значно рідше — кобальт, титан, берилій Ñ– інші метали. У більшоÑÑ‚Ñ– випадків легуючі елементи додаютьÑÑ Ð² незначних кількоÑÑ‚ÑÑ… — деÑÑÑ‚Ñ– чаÑтки відÑотока, але деÑкі з них — від кількох відÑотків до 10—15% Ñ– навіть більше. Ðазви легованих Ñталей походÑÑ‚ÑŒ від назв легуючих елементів.
За приклад виÑоколегованйх Ñталей може Ñлужити вольфрамо-хромо-ванадієва Ñталь із вміÑтом 18% W, 4% Cr Ñ– 1% V. Цю Ñталь називають швидкоріжучою, оÑкільки з неї вироблÑÑŽÑ‚ÑŒ ріжучі інÑтрументи. ОÑобливіÑÑ‚ÑŽ цієї Ñталі Ñ” те, що вона не втрачає Ñвоєї твердоÑÑ‚Ñ– Ñ– міцноÑÑ‚Ñ– навіть при 600°С.
Хромо-нікелева Ñталь із вміÑтом 18% Cr Ñ– 8% Ni в атмоÑфері Ð¿Ð¾Ð²Ñ–Ñ‚Ñ€Ñ Ð½Ðµ піддаєтьÑÑ ÐºÐ¾Ñ€Ð¾Ð·Ñ–Ñ—. Цю Ñталь називають нержавіючою. З неї роблÑÑ‚ÑŒ нержавіючі ножі, ложки, виделки тощо.
[ред.] Джерела
- Ф. Ð. Деркач "ХіміÑ" Л. 1968