Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Среди металлов железо по своему значению занимает особое место. С развитием производства железа и его сплавов неразрывно связано развитие материальной культуры, технический прогресс во всех областях общественного производства. Уровень технического и экономического развития в значительной степени определяется производством черных металлов. По определению В.И. Ленина, «Железо — это один из фундаментов цивилизации».
Свое исключительное значение основного металла железо сохраняет и в настоящее время. В общемировом производстве металлов свыше 90% приходится на производство железа и его сплавов Преимущественным применением в самых разнообразных областях техники и в быту черные металлы обязаны своим ценным физическим и механическим свойствам, а также широкому распространению в природе железных руд и сравнительной простоте и дешевизне производства чугуна и стали.
Железо известно человеку уже в течение нескольких тысячелетий. По археологическим данным, на территории бывш. СССР в Причерноморье, железо начали использовать более 3000 лет назад. Сначала железо получали в кострах, затем в специально устроенных плавильных ямах — сыродутных горнах. В горн, выложенный из камня, загружали легковосстановимую руду и древесный уголь. Дутье, необходимое для горения угля (в первое время естественной тягой, а впоследствии при помощи мехов), подавали в горн снизу. Образующиеся газы (CO) восстанавливали окислы железа. Невысокие температуры и наличие большого количества железистых шлаков позволяли получать в горне только малоуглеродистое железо, притом в тестообразном состоянии. Такой способ получения мягкого железа существовал до XII—XIII в.
Постепенно горн усовершенствовался и превратился в небольшую печь шахтного типа — домницу. Увеличение высоты и более интенсивная подача дутья способствовали повышению температуры и значительно более сильному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. В домницах стали получать жидкое высокоуглеродистое железо с примесями кремния и марганца — чугун.
Сначала чугун был нежелательным продуктом, уменьшающим выход железа, но после того, как были обнаружены свойства чугуна, его стали использовать для различного рода отливок.
Позднее в XIV в., был найден способ передела чугуна в ковкое железо — так называемый кричный процесс. Чугун переплавляли в кричном горне; в разогретый горн на раскаленный древесный уголь загружали чугун и высокожелезистые шлаки. Постепенно плавясь и стекая вниз, чугун подвергался окислительному воздействию дутья и железистого шлака. При этом происходило окисление кремния, марганца и углерода чугуна. Передел чугуна в кричных горнах давал возможность получать малоуглеродистое железо более высокого качества, чем сыродутное. Экономически целесообразным оказалось сначала выплавлять из руд чугун, а затем перерабатывать его на ковкое железо. Таким образом возник двухстадийный способ получения железа, сохранивший свое значение до настоящего времени и являющийся основой современных. Металлургических схем производства стали,
Co временем изменялась конструкция домниц (увеличивалась высота и поперечное сечение, улучшался профиль) и возрастала их производительность. Постепенно домница превратилась в доменную печь (середина XIV в.).
Наиболее важные усовершенствования в металлургии чугуна и стали произошли в период XVIII—XIX вв. Замена древесного угля коксом (1735 г.), применение паровых воздуходувных машин (конец XVIII в.), применение нагрева дутья (1828 г.) и переход к закрытому колошнику (1832 г.) произвели коренные и принципиальные изменения в доменном процессе.
Дальнейший прогресс доменного процесса шел в направлении увеличения объема печей, перехода к более рациональному профилю, совершенствования конструкции доменных печей, механизации и автоматизации процесса.
В это же время произошли коренные изменения и в области передела чугуна на железо и сталь. На смену кричному процессу в конце XVIII в. пришло пудлингование. Передел чугуна по этому способу осуществляли в отражательных печах, отапливаемых дровами или углем. Примеси из чугуна удалялись за счет окислительной атмосферы и высокожелезистого пода печи. Вследствие невысоких температур мягкое железо получалось в тестообразном состоянии.
Проблема переработки чугуна на литую сталь была разрешена Бессемером в 1856 г. Им был предложен высокопроизводительный способ передела жидкого чугуна, не требующий подвода тепла извне, — продувка чугуна воздухом в кислом конвертере. В 1864 г. отец и сын Мартены разработали способ производства литой стали в регенеративной отражательной печи, получивший название мартеновского процесса Этот процесс разрешил также проблему переработки стального лома. Мартеновский способ благодаря универсальности быстро получил повсеместное распространение и до настоящего времени является доминирующим в производстве стали.
В 1877 г. Томас предложил способ передела фосфористых чугунов в основном конвертере, получивший распространение в странах, располагающих запасами фосфористых железных руд.
В конце XIX в возникла новая отрасль металлургии — производство высококачественных сталей в электрических печах.
Прогресс доменного процесса, появление новых способов производства стали и их дальнейшее совершенствование сопровождались непрерывным ростом производства чугуна и стали. Если его лет назад во всем мире в год производилось стали всего лишь 3 млн. г, то в настоящее время годовая выплавка стали достигла примерно 300 млн. т. Предполагается, что в 1975 г, будет произведено около полумиллиарда тонн стали.
В мировом производстве черных металлов (рис. 1) второе место принадлежит России (после США). Особенностью развития металлургической (промышленности бывш. СССР являются недостижимые для капиталистических стран высокие темпы роста производства: за годы Советской власти производство чугуна и стали возросло более чем в 10 раз В 1913 г. выплавка чугуна составляла всего лишь 4,2 млн. т в год, стали также 4,2 млн. т, а в 1961 г. было выплавлено 50,9 млн, т чугуна и 70,7 млн. т стали. Россия значительно опережает капиталистические страны, в том числе и США, как по темпам роста черной металлургии, так и по абсолютному приросту производства железной руды, чугуна и стали. За период с 1952 г. по 1958 г. ежегодный прирост выплавки стали в России составлял 3,4 млн. т или 9,3% (в 1961 г. прирост выплавки стали составил 5,4 млн. т), а в США лишь 2,1 млн. т, или 2,2%. Программой КПСС, принятой на XXII съезде нашей партии, предусматривается довести за 20 лет развитие черной металлургии до уровня, позволяющего выплавлять примерно 250 млн. т стали в год. Для выполнения этой грандиозной задачи намечены расширение и реконструкция существующих заводов, а также строительство крупнейших заводов в Казахстане и Сибири. В восточных районах на базе не давно открытых крупнейших железорудных месторождений создается третья металлургическая база.
Твердое железо существует в двух различных кристаллических модификациях: α-железо с решеткой объемноцентрированного куба и пeриодом решетки 2,8606 А при 20° и γ-железо, имеющее кубическую гранецентрированную решетку с периодом решетки 3,59 А при 906°. До 768° (точка А2) α-железо обладает магнитными свойствами, от 768 до 906° существует немагнитное β-железо, кристаллическая структура которого идентична с α-железом. При 906° (точка А3) β-железо переходит в γ-железо, а при 1401° γ-железо превращается в δ-железо, тождественное α-железу.
При температурах перехода свойства железа претерпевают резкие изменения.
Железо обладает следующими физико-химическими свойствами:
Физические и механические свойства железа (табл. 1, 2) в значительной мере зависят от содержания в нем примесей. Более всего чувствительны к малейшим следам примесей магнитные свойства, а затем сопротивление деформированию и электросопротивление.
Точка плавления железа понижается при добавлении других элементов, Так, добавка 1% углерода понижает ее на 73°, кремния — на 12°, марганца — на 3°, серы — на 30°, фосфора — на 30°.
Жидкое железо растворяет большинство других металлов и многие металлоиды. В нем неограниченно растворяются металлы. Al. Cu, Mn, Ni, Co, Si, Sb, Ti, Zr, частично Cr, V, Mo, Sn, Pt и не растворяются Pb, Ag, Bi. Из металлоидов в железе частично растворяются С, S, Р, As, Se, а также газы: водород, азот и кислород.
Растворимость водорода и азота в жидком железе прямо пропорциональна корню квадратному из давления этих газов и увеличивается с температурой. Максимальная растворимость азота в жидком железе при 1600° и давлении газа 1 атм составляет 0,0525%, водорода при тех же условиях — 0,0027%, или 30,3 мл/100 г. Растворимость кислорода при 1600° равняется 0,22%. Растворимость этих газов при других температурах может быть определена из уравнений, приведенных в табл. 3.
При затвердевании железа растворимость водорода, азота, кислорода и ряда других элементов резко уменьшается и скачкообразно изменяется при переходе железа из одной модификации в другую.
Предельная растворимость некоторых металлов в твердом железе составляет 60% Ti, 12,0% Nb, 18,5% Si, 33,0% W, 34,0% Mo, 35;0% Al. Неограниченно растворяются Mn, Ni и Co. Максимальная растворимость углерода в γ-железе составляет 2,06%, в α-железе — всего лишь 0,018%.
Предельная растворимость серы в γ-железе (при 1365°) равна 0,050°. фосфора в γ-железе 0,25% (при 1150°), а в α-железе 2,8% (при 1050°). С, Mn, Si, S, Р, a также азот, кислород и водород являются постоянными составляющими технических сплавов железа — чугуна и стали. Углерод — это основная примесь. Практически все многообразие железных сплавов, используемых в технике, создано на основе диаграммы состояния Fe—С (рис. 2). В зависимости от содержания углерода сплавы на основе железа принято делить на сталь (до 2% С) и чугун (свыше 2,5% С).
Углерод наиболее резко изменяет свойства стали и чугуна. Он повышает твердость и прочность, снижая пластичность.
Марганца в обычных сталях содержится до 1%; он способствует лучшей закаливаемости стали и несколько повышает ее упругие свойства. При высоком содержании марганца (10—12%) углеродистые стали обладают повышенной износоустойчивостью.
Кремний, обычно присутствующий в стали до 0,4%, слабо влияет на свойства стали. При более высоком содержании кремния (до 4%) повышается твердость и прочность и сильно снижаются потери на гистерезис при намагничивании.
Ni, Cr, V, W, Mo и другие элементы вводят в сталь для придания ей особых свойств. Хром, например, увеличивает стойкость против коррозии и окисления, повышает износоустойчивость. Никель повышает прочность при одновременном увеличении вязкости; вольфрам повышает красностойкость, что особенно важно для инструментальных сталей.
Сера, фосфор и газы относятся к вредным примесям, ухудшающим свойства стали. Сера способствует красноломкости, снижает пластические свойства стали, поэтому ее содержание ограничивают 0,05%. Фосфор снижает ударную вязкость стали, особенно сильно в присутствии углерода, азота и кислорода. Допустимое содержание фосфора в обычных сталях до 0,08%, в специальных — до 0,03—0,04%. Водород вызывает хрупкость и делает сталь (высокоуглеродистую легированную) флокено-чувствительной. Азот снижает пластичность стали и способствует ее старению. Кислород также снижает пластичность, особенно при низких температурах.
В настоящее время в технике используются стали самого разнообразного состава, обладающие различными свойствами.
По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные (см. приложение); по назначению — на конструкционные (строительная и машиностроительная), инструментальные и стали с особыми свойствами (нержавеющие, жароупорные, кислотоупорные и др.).