Переработка передельного чугуна осуществляется с целью получения стали в результате освобождения его от некоторой части углерода методом окисления. При этом сталь может производиться тремя методами: конверторным — продувкой расплавленного чугуна сжатым воздухом или кислородом в больших грушевидных сосудах — конверторах с различной внутренней огнеупорной футеровкой (рис. 1); мартеновским — в печах Сименса-Мартена (рис. 2) с регенерацией тепла отходящих газов; электроплавкой — в электродуговых, индукционных или высокочастотных печах (рис. 3). При плавке в мартеновских печах или при электроплавке добавляется в расплавленный чугун железная руда или скрап (отходы ржавого железа, железный лом). Кислород добавляемых оксидов также выжигает примеси, а железо понижает содержание углерода в общей массе металла. Можно переплавлять в печи и железный лом, превращая его в продукт, годный к вторичному употреблению, что экономически весьма выгодно. При использовании железа, спеченного в куски при бездоменном производстве, сталь получают насыщением его углеродом с помощью переплавки с чугуном. Полученные тем или иным методом углеродистые стали с содержанием углерода до 1,3% широко используют в машиностроении, на транспорте, в строительстве и т. п.
Рис. 1. Конвертор для выплавки стали из чугуна:
1 — чугун; 2 — набойка; 3 — воздух; 4 — дутье; 5 — фурмы для подачи воздуха в металл
Рис. 19.4. Схема мартеновской печи
1, 7 — регенераторы; 2 — расплавленные шлак и металл; 3 — завалочные окна; 4 — рабочее пространство; 5 — свод; 6 — под
При производстве стали часто добавляют в печь легирующие вещества (металлы), получая специальные сорта стали с необходимыми свойствами, например хромоникелевую (нержавеющую) сталь и др. Упрочненные низколегированные стали, содержащие хром, никель, марганец, кремний, выпускают в качестве массовых технических материалов, тогда как специальные сорта с повышенной прочностью, жаростойкостью, коррозиестойкостью и другими улучшенными свойствами содержат увеличенное количество легирующих компонентов. Нередко в качестве легирующего компонента выступает и железо в сплавах на основе алюминия, меди и других металлов.
В конверторах выплавляется более 50% в мире стали, причем эта доля стали, выплавляемой высокопроизводительными методами (конвертор и электроплавка), имеет тенденцию к непрерывному увеличению, тогда как доля мартеновской выплавки постепенно уменьшается. У нас в стране на долю углеродистых сталей приходится около 90%, а легированных — 10%. Качество тех и других обусловлено в основном их составом и структурой как железоуглеродистого сплава. В нем железо образует термодинамически неустойчивое химическое соединение с углеродом Fe3С, называемое цементитом. Значительная часть железа находится в чистом виде с температурой плавления 1539°С. Железо имеет четыре полиморфные модификации: α-Fе, β-Fе, γ-Fе и δ-Fе. Практическое значение имеют модификации α -Fе и γ -Fе. Переход железа из одной модификации в другую происходит при определенных критических температурах. Модификация α -Fе имеет кубическую объемно-центрированную кристаллическую решетку, γ -Fе — кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку. Переход железа из одной аллотропической формы в другую схематически показан на кривой охлаждения (рис. 4). В процессе охлаждения расплавленного железа при температуре 1535°С образуется площадка, характеризующая формирование кристаллической модификации δ -Fе; при температуре 1392°С происходит полиморфная модификация δ-Fе в модификацию γ -Fe, которая мри температуре 898°С переходит в модификацию β-Fе; при температуре 768°С модификация β-Fе переходит в модификацию α-Fе. Изучение этих четырех форм существования кристаллического железа показало, что в модификации γ-Fе имеется межатомное расстояние в кристаллической решетке, меньшее, чем в модификации β-Fе, и поэтому переход γ-Fе в β-Fе сопровождается увеличением объема кристалла. Отмечено, что модификация α-Fе обладает магнитными свойствами (ферромагнит), тогда как модификация β-Fе этими свойствами почти не обладает, хотя кристаллические решетки их сходны между собой.
Рис. 3. Схема электрической печи для выплавки специальных сталей
Рис. 4. Кривая охлаждения железа
Большое значение для практики имеет свойство модификации γ-Fе растворять до 2,14% углерода при температуре 1147°С с образованием твердого раствора и с внедрением атомов углерода в кристаллическую решетку. При повышении и понижении температуры растворимость углерода в модификации γ-Fе уменьшается. Твердый раствор углерода и других элементов (азот, водород) в модификации γ-Fе называется аустенитом (по имени ученого Р. Аустена), почти в 100 раз меньше углерода может раствориться в модификации α-Fе, причем твердые растворы углерода и других элементов в модификации α-Fе называют ферритом.
Кроме твердых растворов в железе, в железоуглеродистых сплавах может быть, как отмечено выше, химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fе3С. Это соединение, называемое цементитом, содержит 6,67% углерода, имеет сложное кристаллическое строение с плотноупакованной ромбической кристаллической решеткой.
В сплавах цементит является метастабильнои фазой. Его температура плавления равна примерно 1500°С. Он хорошо растворим в модификации γ-Fе, меньше — в δ-Fе и совсем мало — в α-Fе.
Феррит отличается мягкостью и пластичностью, его прочность сравнительно невысока — предел прочности при растяжении 250 МПа, относительное удлинение 50%, твердость НВ составляет 800 МПа. Аустенит также имеет высокую пластичность, низкий предел прочности при растяжении. Твердость аустенита НВ 1700— 2200 МПа. Цементит обладает низкой пластичностью и высокой твердостью НВ, равной 10000 МПа, хрупкий.
И.А. Рыбьев
“Строительное материаловедение”
