Свойства и применение железа и его сплавов. История развития производства железа

Железо и его сплавы с углеродом занимают особое положение в металлургии, так как их расход составляет по весу 92—93% от общего расхода всех используемых в настоящее время металлов.

Мировая выплавка чугуна составляет 150 млн. г и стали 220 млн т. России по выплавке чугуна и стали занимает второе место в мире. Согласно приведенной выше промышленной классификации, железо относится к группе черных металлов, которые находят самое широкое применение во всех областях народного хозяйства и в быту.

Развитие тяжелой промышленности, железнодорожного и автомобильного транспорта, машино- и станкостроения, сельскохозяйственного машиностроения и строительной техники были бы невозможны без значительного развития черной металлургии.

Широкое использование черных металлов стало возможным благодаря высокому содержанию железа в земной коре (на долю железа приходится 4,2% веса земной коры, оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию) в виде достаточно богатых металлом руд, которые можно относительно просто добыть и переработать.

Сплавы железа, содержащие от 1,7 до 4,5% углерода и выше, называются чугуном.

Сплавы железа, содержащие от 0 до 1,7% углерода, называются сталью.

Сталь, содержащая 0,02—0,03% углерода, — это обычное техническое железо, Такое железо хорошо куется в холодном и горячем состоянии, тянется в проволоку, плавится при температуре 1520—1530° и хорошо сваривается.

Техническое железо обладает большей твердостью и прочностью, чем медь, свинец, цинк и олово.

Присутствие в стали углерода сообщает ей более высокую твердость, чем у железа, и большую упругость.

Кроме углерода, сталь содержит ряд других примесей, из которых постоянными считают серу, фосфор, кремний и марганец. В сталь часто искусственно вводят хром, вольфрам, молибден, никель и другие металлы. Количество добавок может изменяться в самых широких пределах, и при этом могут существенно изменяться свойства стали, поэтому различные марки стали объединяют в отдельные группы, отличающиеся по своему химическому составу и физическим свойствам.

Стали, содержащие 1,3—2,0% кремния, используются как рессорно-пружинные, а содержащие до 4,5% кремния — в качестве трансформаторных и динамных сталей. При добавке различных количеств хрома, марганца, никеля и других элементов можно получить различные сорта конструкционных, инструментальных, жароупорных и других высококачественных сталей.

Повышенную износоустойчивость имеют стали, содержащие 1,6—1,8% марганца и 0,1—0,4% углерода. Стали с содержанием 12—14% марганца отличаются устойчивостью против истирания и применяются при изготовлении железнодорожных стрелок, частей дробилок, мельниц, землечерпалок и пр.

Нержавеющие и жароупорные стали получают при добавках к ним титана, хрома и никеля. Для производства конструкционных, жаростойких, быстрорежущих и инструментальных сталей с высокой вязкостью к ним добавляется молибден. А добавка к стали даже малых количеств ванадия повышает ее прочность, улучшает пластические свойства, делает сталь мелкокристаллической и увеличивает ее сопротивление ударным нагрузкам.

Добавка к стали ниобия сообщает ей устойчивость против коррозии и действия кислот.

Химически чистое железо имеет уд. вес 7,89, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и магнитной проницаемостью. Получение химически чистого, не содержащего углерода, железа связано с значительными трудностями, а применение его невелико.

Железо при нагревании в присутствии углерода образует с ним соединение, называемое карбидом железа или цементитом. Это соединение отвечает формуле Fe3C и содержит 6,69% углерода.

При изменении температуры растворимость углерода в железе изменяется, при этом образуется ряд твердых растворов углерода в железе, обладающих различными свойствами.

Степень насыщения железа углеродом определяет свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность стали при одновременном понижении пластичности. Примеси серы и фосфора резко ухудшают свойства стали, так как фосфор снижает ее ковкость в холодном, а сера — в горячем состоянии.

Начало производства железа следует отнести к периоду примерно за две тысячи лет до нашей эры.

Производство это осуществлялось в небольших горнах с кожаными мехами для дутья.

В таких горнах нельзя было достичь температуры, необходимой для расплавления тугоплавкого железа, и оно получалось на дне горна в виде спекшихся друг с другом кусочков, загрязненных золой и шлаком. Такое железо называлось сыродутным и освобождалось от застрявших в нем золы и шлака проковкой. При этом горячие частицы металла сваривались в монолитный кусок. Такой способ производства железа существовал до XII— XIII века.

В XIII в., когда люди начали использовать водную энергию для приведения в действие воздуходувных машин, количество и давление подаваемого воздуха возросли, размеры горна были увеличены. При этом повысилась температура в горне и изменился характер протекавших в нем процессов. Наряду с тестообразным железом, получавшимся как и ранее в сыродутных горнах, в домницах (так назывались увеличенные горны) стали получать жидкий металл.

Присутствие в домнице повышенного количества раскаленного древесного угля, более высокая температура, чем в горне, и лучший контакт с газами способствовали более полному восстановлению железа и взаимодействию его с углеродом.

Получавшийся чугун, содержавший углерод, кремний и марганец, хрупкий и не поддающийся ковке, первое время считался нежелательным продуктом плавки. Несколько позже из чугуна стали отливать различные изделия и лишь в XIV в. нашли способ перерабатывать чугун в сталь.

Первоначально — это было кричное производство. Куски чугуна переплавляли в маленьких горнах, позволяющих развивать высокую температуру при большом избытке воздуха. Частично окисление происходило за счет присаживаемых в горн окислов железа. Примеси углерода, марганца и кремния выгорали, и металл приобретал ковкость и мягкость. Тестообразную железную крицу (отсюда кричное производство, кричной горн) вытаскивали клещами со дна горна и проковывали.

По мере совершенствования воздуходувных средств и расширения выделки кричного железа домница превратилась в доменную печь, являющуюся сейчас основным агрегатом для выплавки металла из железных руд.

В первый период перехода на кокс (середина XIX в.) производительность доменных печей возросла незначительно, так как маломощные воздуходувные средства не могли преодолеть сопротивление столба материалов, которое увеличилось с применением кокса, значительно более плотного, чем древесный уголь.

Ho с появлением паровых двигателей и увеличением мощности воздуходувных машин были созданы условия для быстрого роста производительности доменных печей и их размеров.

Рост доменного производства сопровождался усовершенствованием способов переработки чугуна в сталь.

Новые методы, разработанные металлургами, в конце XVIII в. привели к процессу пудлингования чугуна в пламенных печах, обогреваемых дровами или углем.

Лишь в середине XIX в. удалось осуществить процесс продувки расплавленного чугуна воздухом (бессемерование) и получить жидкую сталь в агрегате, названном конвертером.

Бессемерование позволило резко поднять выплавку стали в 80—90-х годах прошлого века. Однако конвертеры, футерованные кремнеземистым (кислым) кирпичом, оказались непригодными для переработки чугуна с высоким содержанием фосфора.

Применив конвертер с футеровкой из доломита и каменноугольной смолы, С.Д. Томас нашел способ переработки фосфористых чугунов.

В 1863 г. был найден способ плавки сталей на поду пламенной печи, работающей на подогретых газе и воздухе. В этой печи, названной мартеновской, были достигнуты температуры, позволяющие перерабатывать чугун любого состава и разливать полученную сталь.

В настоящее время емкость мартеновских печей достигла 500 т, и они являются наиболее распространенными сталеплавильными агрегатами.

С конца XIX — начала XX века в металлургию черных металлов проникает электричество не только как двигательная сила, но и как источник тепла. Возникает новая отрасль — электрометаллургия стали и ферросплавов. Этим способом теперь выплавляют новые марки стали и сплавов сложного химического состава с особыми физическими свойствами и со специальным технологическим назначением.