post

Стомана и металургия на стоманата

Стомана – представлява желязо-въглеродна сплав, в която съдържанието на въглерода не надхвърля 2,14% и се намира под формата железен карбид (циментит) Fe3C.

Химичен състав на стоманата

Физикомеханичните качества на произвежданата стомана зависят главно от нейната кристална структура и химичния ѝ състав. Кристалната решетка е съставена от α-желязо (ферит) и микрокристали на железния карбид. В зависимост от съдържанието на карбида се определя твърдостта на сплавта. Повече циментит означава и по-твърда въглеродна стомана.

Ако в стоманата се внесат малки количества други химически съставки (волфрам, ванадий, хром, манган, никел, титан, силиций), процесът се нарича легиране и има за цел допълнително да промени нейните качества. Легираните стомани са изключително ценни и намират широко приложение в съвременното общество.

Изначалната суровина за производството на стомана може да бъде желязна руда или бял чугун, получен от желязна руда в доменните пещи. Превръщането на чугуна в стомана е процес на очистване на примесите в него, който се нарича рафиниране. Рафинирането стои в основата на различните методи за стоманодобив.

Методи за производството на стомана

Рафиниране чрез продухване

През 1855 година Хенри Бесемер подава заявка за патент върху собствен метод за евтино производство на въглеродна стомана. При него се използва крушовиден съд, който е изработен от дебела стоманена ламарина и е облицован отвътре с кисели огнеупорни тухли (дебелина 70 – 90см). По името на създателя си е наречен бесемеров конвертор. Първият успял да внедри в промишлени мащаби бесемеровия метод е Гьоран Фредрик Гьорасон през 1862г (стомани Sandvik).

Съществува и т. нар. томасов конвертор, при който облицовката е от смес от калциев и магнезиев оксид под формата на печен доломит. Той се използва, когато в белия чугун се съдържа фосфор в по-големи количества.

стомана, чугун

бесемеров конвертор за получаване на стомана от чугун

Процеси в конвертора

При класическия конвертор стопеният бял чугун (1250 – 1300°С) се влива от горния отвор. След това през сплавта се продухва въздух посредством отвори на дъното. При продухването, част от желязото се окислява от кислорода.

Fe + O2 → 2FeO + Q

Заради разтворимостта на железния оксид в течното желязо и постоянното разбъркване от навлизащия въздух, оксидът влиза в окислителни реакции с другите елементи в сплавта:

C + FеO → Fe + CO + Q

Si + 2FеO → 2Fe + SiO2 + Q 

Mn + FeO → Fe + MnO + Q

Температурата на метала се повишава до 1600 – 1800°С от екзотермичните реакции (+Q). Това прави излишно нагряването от външен източник. Започва относително бърз (15-18 мин.) ендотермичен процес (+Q), при който отделената толина се консумира,  а по-голямата част от желязото се възстановява.

Fe3C + FeO → 4Fe + CO – Q

Получените оксиди на мангана и силиция реагират помежду си като образуват шлак (шлака), който се отстранява, а въглеродът изгаря почти напълно. Липсата на въглерод налага добавянето на допълнително количество чугун и още две минути продухване на сместта, за да се хомогенизира.

В получената течна стомана има следи от железен оксид, който може да доведе до влошаване на нейните качества. Затова към нея се добавя манган като редуктор под формата на фероманган. В томасовия конвертор има една допълнителна реакция. При продухването се прибавя негасена вар. Окисленият фосфор се свързва с калциевия оксид и образува шлак от калциев фосфат. Шлакът намира приложение в земеделието, защото се смила и използва като фосфорен тор.

P2O5 + CaO → 2 Ca3(PO4)2 + Q

Получената чрез продухване стомана не притежава изключително високи качества, но е достатъчно добра и намира широко приложение.

Рафиниране на чугун в Сименс-Мартенови пещи

Британският инженер от германски произход Карл Сименс разработва през 1856 година нов вид пещ. Тя се отличава с изключителна икономичност, защото горивото и въздуха се загряват предварително. Източникът на топлина са отработените газове в пещта, които минават през топлообменници изработени от специални тухли. Впоследствие през топлообменника преминават студените въздух и горива, за да се загреят.

Френският инженер Пиер-Емил Мартен забелязва потенциала на изобретението и през 1864-65 г. закупува лиценз за него, след което започва да използва пещта за получаване на стомана. Полученият продукт се отличава с много добри качества и затова методът се утвърдил като рафиниране на чугун в Сименс-Мартенови пещи.

стомана

Сименс-Мартенова пещ за получаване на стомана

Една пещ се състои от вана за чугуна, отвори за източване на стоманата и шлаката, отвори за подаване на горивото и въздуха, топлообменници за подгряване на горивото и въздуха. Процесите във ваната са идентични с тези при бесемеровия конвертор, но протичат далеч по-бавно (12 – 16 часа). Това позволява контролирането на състава на получаваната стомана.

В Сименс-Мартеновите пещи могат да се преработват едновременно чугун, желязна руда и старо желязо. Железните окиси в рудата и старото желязо участват активно в процесите на окисление.

Рафиниране на чугун в електропещи

Това е метод, при който се получава най-висококачествената стомана, защото в пещта се контролира стриктно подаваната енергия и протичащите процеси. При този тип пещи, фосфора и сярата се отстраняват най-добре от сплавта. Електропещите се използват за получаването на специални стомани, към които има строго определени изисквания.

Окончателна обработка

Получената стомана се излива в специално подготвени за целта кофи, а след това се прелива във форми предназначени за стоманените отливки. По време на тези дейности се внимава да се избегне окисление на готовата сплав. Причината е, че попадането на оксиди в течния метал ще повлияе негативно на неговите качества след втвърдяването. Получената стомана може да се валцува на стоманени листи или да премине към допълнителна обработка.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *