I. Что такое железо и сталь

Железо и сталь — это сплавы, состоящие из железа (Fe), углерода (C), кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P), серы (S) и небольших количеств других элементов. Среди них, за исключением железа (Fe), содержание углерода играет основную роль в определении механических свойств железа и стали, поэтому их collectively называют железо-углеродными сплавами. Они являются наиболее важными и широко используемыми металлическими материалами в инженерной технологии.

2. Значение стали

Сталь — это железо-углеродный сплав с содержанием углерода от 0,03% до 2%. Углеродная сталь — это наиболее часто используемая обычная сталь, отличающаяся легкостью плавки и обработки. В зависимости от содержания углерода углеродная сталь дополнительно делится на низкоуглеродную сталь, среднеуглеродную сталь и высокоуглеродную сталь. Легированная сталь, также называемая специальной сталью, изготавливается путем добавления одного или нескольких легирующих элементов к углеродной стали для изменения микроструктуры и свойств стали. Общие легирующие элементы, добавляемые в сталь, включают Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti и др.

3. Значение чугуна

Чугунно-углеродные сплавы с содержанием углерода от 2% до 4,3% называются чугуном. Чугун твердый и хрупкий, обладает хорошей стойкостью к давлению и износостойкостью. Он делится на белый чугун, серый чугун и ковкий чугун. Белый чугун имеет серебристо-белый вид, твердый и хрупкий, и не поддается механической обработке; он является сырьем для производства стали, поэтому его также называют сталелитейным чугуном. Серый чугун имеет серебристо-серый излом, легко обрабатывается и литье, и обладает хорошей износостойкостью. Ковкий чугун имеет свойства, близкие к свойствам стали. Специальный чугун можно получить, добавляя специальные легирующие элементы в чугун.

II. Процесс производства железа и стали

Современный процесс плавки железа и стали включает в себя плавку железной руды в чугун в доменной печи, заливку расплавленного железа в конвертер или электрическую печь для плавки в сталь, затем литье расплавленной стали в непрерывные литые заготовки или стальные слитки и обработку их в стальные изделия для различных целей с помощью методов пластической деформации, таких как прокат.

2. Интегрированные металлургические заводы

Интегрированный металлургический завод обычно включает в себя производственные этапы, такие как обработка сырья, производство чугуна, производство стали, прокат стали, энергоснабжение и транспортировка. Это сложная и крупномасштабная производственная система. Большинство металлургических предприятий в Китае являются такими полноцикловыми интегрированными предприятиями.

III. Сырьевые материалы и процесс производства чугуна

Основные сырьевые материалы для плавки в доменной печи включают железную руду (естественная богатая руда и искусственная богатая руда), топливо (кокс и инжектируемое топливо) и флюс (известняк и доломит). Для плавки одной тонны чугуна требуется примерно 1,60-1,65 тонны железной руды с содержанием 63%, 0,3-0,6 тонны кокса и 0,2-0,4 тонны флюса.

2. Процесс производства чугуна

Доменное железоделание — это традиционный метод производства железа, основанный на использовании кокса в качестве энергии. В сотрудничестве с конвертерным железоделанием это в настоящее время основной метод производства железа. Ожидается, что ведущая позиция доменного железоделания не изменится в течение довольно длительного периода. Суть доменного железоделания заключается в процессе восстановления железа, в котором кокс выступает в качестве топлива и восстановителя, чтобы восстановить железо из железной руды или железосодержащих сырьевых материалов из оксидного или минерального состояния в жидкий чугун при высоких температурах.

3. Процесс производства чугуна

В процессе плавки charge (руда, флюс, кокс) загружается партиями в печь сверху через загрузочное оборудование в определенной пропорции. Горячий воздух высокой температуры, подаваемый снизу через tuyere, реагирует с коксом, чтобы сгенерировать высокотемпературный восстановительный газ, который поднимается и нагревает, восстанавливает, плавит и образует шлак из charge, вызывая ряд физических и химических изменений. В конце концов, жидкий шлак и железо накапливаются в горне и периодически отводятся из доменной печи. В процессе подъема температура газового потока непрерывно снижается, а его состав постепенно изменяется, и в конечном итоге образуется и выводится газ доменной печи из верхней части печи.

IV. Сырьевые материалы и процесс производства стали

Декарбонизация → дефосфоризация → десульфурация → деоксидирование → денитрификация, дегидрирование и т.д. → удаление неметаллических включений → легирование → повышение температуры → затвердевание и формование.

2. Принцип производства стали и сырьевые материалы

Процесс производства стали является процессом окисления. Основным методом удаления примесей является продувка кислорода в расплавленную ванну и добавление шлакообразующих агентов для образования расплавленного шлака для удаления. Реакция декарбонизации является основным средством процесса производства стали, а такие элементы, как кремний, марганец, фосфор и сера, также удаляются через окислительные реакции. Сырьевые материалы для производства стали включают чугун, лом стали, флюсы (известняк), восстановители (ферросилиций, ферромарганец, алюминий и др.) и легирующие материалы.

3. Процесс производства стали

Горячая металлообработка → конвертерное или электродуговое плавление стали → вторичная переработка (рафинирование в ковше) → непрерывная разливка.

V. Процессы производства стали (Ключевые связи)

Непрерывная литье стали — это процесс, который непрерывно отливает расплавленную сталь в стальные заготовки через непрерывный литьевой агрегат. По сравнению с литьем в слитки, непрерывное литье имеет следующие преимущества: упрощенный процесс и экономия энергии; сниженная норма обрезки заготовок, с выходом металла на 7-12% выше, чем при литье в слитки; эффективная кристаллизация; и оптимизированное формование.

Процесс непрерывной разливки выглядит следующим образом: расплавленная сталь подается в форму через разливочную ёмкость и быстро охлаждается, образуя затвердевшую оболочку определенной толщины, в то время как внутренняя часть остается жидкой (полутвердый заготовка). Нижняя часть заготовки соединена с дублирующим прутком, который простирается в дно формы. После начала разливки машина для вытягивания заготовки тянет заготовку в форме с определенной скоростью через дублирующий пруток. Когда заготовка проходит через зону вторичного охлаждения непрерывной разливки, она дополнительно охлаждается распылением воды до полного затвердевания. После полного затвердевания заготовка выпрямляется выпрямителем, нарезается на заданные длины и транспортируется через конвейер.

2. Сталепрокат

Процесс прокатки — это процесс, в котором трение между прокатываемым изделием и валками втягивает прокатываемое изделие в пространство между валками, вращающимися в разных направлениях, вызывая его пластическую деформацию. Общий процесс прокатки стали можно разделить на: нагревательную печь, черновую прокатку, промежуточную прокатку, окончательную прокатку и отделку.

VI. Механические свойства железа и стали (Ключевые показатели)

Железо и сталь обладают хорошими физическими, механическими и технологическими свойствами, с шестью ключевыми показателями, как указано ниже:

Когда стальной материал или образец растягивается, если напряжение превышает предел упругости, стальной материал или образец продолжит подвергаться явной пластической деформации, даже если напряжение больше не увеличивается. Это явление называется текучестью, а минимальное значение напряжения, при котором происходит текучесть, называется пределом текучести.

2. Упругая прочность

Некоторые металлические материалы имеют неявную предел текучести, что затрудняет измерение. Поэтому для измерения предельных характеристик материалов напряжение, которое вызывает постоянную остаточную пластическую деформацию до достижения определенного значения (обычно 0,2% от первоначальной длины), определяется как условная прочность на текучесть, или просто прочность на текучесть.

3. Устойчивость к растяжению

Максимальное значение напряжения, достигнутое от начала растяжения до разрушения материала. Оно представляет собой способность стали сопротивляться разрушению. Соответственно прочности на растяжение, также существуют прочность на сжатие, изгибная прочность и т.д.

4. Удлинение

Процентное соотношение длины пластической деформации стали после разрушения к первоначальной длине образца называется удлинением или процентным удлинением.

5. Коэффициент доходности

Соотношение предела текучести (предельной прочности) стали к её прочности на растяжение называется коэффициентом текучести. Чем выше коэффициент текучести, тем выше надежность конструктивных частей. Обычно коэффициент текучести углеродной стали составляет 0,6-0,65, низколегированной конструкционной стали - 0,65-0,75, а легированной конструкционной стали - 0,84-0,86.

6. Твердость

Твердость относится к способности материала сопротивляться вдавливанию твердого объекта на его поверхности. Это один из важных показателей производительности металлических материалов. Как правило, чем выше твердость, тем лучше износостойкость. Общие показатели твердости включают твердость Бринелля, твердость Роквелла и твердость Виккерса.

VII. Факторы, влияющие на свойства железа и стали

Влияние химического состава на свойства железа и стали

Углерод является самым важным элементом после железа. С увеличением содержания углерода прочность стали возрастает, в то время как пластичность и ударная вязкость (особенно ударная вязкость при низких температурах) уменьшаются. В то же время свариваемость, коррозионная стойкость и способность к холодной гибке значительно снижаются. Поэтому содержание углерода в конструкционной стали, как правило, не превышает 0,22%, а в сварных конструкциях должно быть менее 0,2%.

2. Марганец

Марганец является слабым деоксидизатором. Подходящее содержание марганца может эффективно улучшить прочность стали и устранить эффект горячей хрупкости серы и кислорода на сталь, не снижая значительно пластичность и прочность стали. Содержание марганца в углеродной конструкционной стали составляет 0,3%-0,8%, а в низколегированной стали обычно 1,0%-1,7%.

3. Кремний

Силикон является сильным деоксидизатором. Подходящее содержание силикона может улучшить прочность стали без очевидных негативных последствий для пластичности, ударной вязкости, холодной изгибаемости и свариваемости. Однако, когда содержание силикона слишком высоко, это снижает пластичность, ударную вязкость, коррозионную стойкость и свариваемость стали.

4. Ванадий, Ниобий, Титан

Ванадий, ниобий и титан могут улучшать размер зерна стали. Низколегированные стали в Китае все содержат эти три элемента. В качестве легирующих элементов, кроме марганца, они могут не только повышать прочность стали, но и сохранять хорошую пластичность и ударную вязкость.

5. Кислород, Азот

Кислород и азот также являются вредными примесями, которые могут попасть в металл из воздуха, когда металл находится в расплавленном состоянии. Кислород может вызывать горячую хрупкость стали, и его влияние более интенсивно, чем влияние серы; азот может вызывать холодную хрупкость стали, аналогично фосфору.

VIII. Классификация железа и стали

Обычная сталь (P ≤ 0.045%, S ≤ 0.05%)

Высококачественная сталь (как P, так и S ≤ 0.035%)

Высококачественная сталь высшего сорта (P ≤ 0.035%, S ≤ 0.03%)

2. Классификация по химическому составу

Углеродная сталь

Низкоуглеродистая сталь (C ≤ 0.25%)

Среднеуглеродистая сталь (C: 0.25%-0.6%)

Высокоуглеродистая сталь (C > 0.6%)

Легированная сталь

Низколегированная сталь (содержание легирующих элементов в сумме ≤ 5%)

Средне легированная сталь (содержание легирующих элементов: 5%-10%)

Высоколегированная сталь (содержание легирующих элементов > 10%)