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铁的介绍 - 道客巴巴

发布时间:2020-01-15 19:58    点击次数:197次   

  铁的基础知识及铁的分类 生铁是指把铁矿石4放到高炉中冶炼5而成的产品, 也叫“铣铁” 。 生铁是高炉产品, 可分为6普通生铁和合金生铁, 前者包括炼钢生铁和铸造生铁, 后者主要是锰 铁和硅铁。 合金生铁作为炼钢的辅助材料, 在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。 生铁是含碳量2.1 1 % ~ 6.67% 并含有非铁杂质较多的铁碳合金。 生铁的杂质元素主要是硅、 硫、 锰、 磷等。 生铁质硬而脆, 缺乏韧性, 几乎没有塑性变形能力, 因此不能通过锻造、 轧制、 拉拔等方法加 工成形。 但含硅高的生铁(灰口铁) 的铸造及切削性能良好。 4 铁的主要矿石有: 赤铁矿 Fe2O3...

  铁的基础知识及铁的分类 生铁是指把铁矿石4放到高炉中冶炼5而成的产品, 也叫“铣铁” 。 生铁是高炉产品, 可分为6普通生铁和合金生铁, 前者包括炼钢生铁和铸造生铁, 后者主要是锰 铁和硅铁。 合金生铁作为炼钢的辅助材料, 在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。 生铁是含碳量2.1 1 % ~ 6.67% 并含有非铁杂质较多的铁碳合金。 生铁的杂质元素主要是硅、 硫、 锰、 磷等。 生铁质硬而脆, 缺乏韧性, 几乎没有塑性变形能力, 因此不能通过锻造、 轧制、 拉拔等方法加 工成形。 但含硅高的生铁(灰口铁) 的铸造及切削性能良好。 4 铁的主要矿石有: 赤铁矿 Fe2O3, 含铁量在50% ~ 60% 之间; 磁铁矿 Fe3O4, 含铁量60%以上有磁性, 还有褐铁矿2Fe2O3- 3H2O、 菱铁 矿 FeCO3和黄铁矿 FeS2, 它们的含铁量低一些, 但比较容易冶炼。 中国的铁矿资源非常丰富,著名的产地有湖北大冶、 东北鞍山等。 5 单质铁的制备一般采用冶炼法。 以赤铁矿 Fe2O3和磁铁矿 Fe3O4为原料, 与焦炭和助溶剂在熔矿炉内反应, 焦炭燃烧产生 CO2气, CO2 气与过量的焦炭接触就生成 CO 气, CO 气和氧化铁作用就生成金属铁。 C+ O2= CO2 CO2+ C= 2CO Fe3O4+ CO= 3Fe+ CO2 Fe2O3+ CO= 2Fe+ CO2 FeO+ CO= FeO+ CO2 6 另一种理解是: 生铁、 铁合金属于炉料, 即治炼用原料。 铸铁是用生铁(主要是铸造生铁)治炼后的产品。 1 .生铁 生铁是含碳量大于2%(2.1 1 % ) 的铁碳合金, 工业生铁含碳量一般在2.5% ~ 4.0% , 并含Si、 Mn、 S、 P 等元素, 是用铁矿石经高炉冶炼的产品。 生铁生铁按含硅(Si) 量划分铁号, 按含锰(Mn) 量分组, 按含磷(P) 量分级, 按含硫(S) 量分类。 1 ) 炼钢生铁 炼钢生铁含硅量不大于1 .7% , 碳以 Fe3C 状存在。 故硬而脆, 断口呈白色。 主要用作炼钢原料 和可锻铸铁原料, 炼钢生铁见下表所示。 炼钢用生铁(根据 GB71 7-82) : 铁号 代号 L04 L08 L1 0 2) 铸造用生铁 铸造生铁硅含量为1 .25~ 3.6% 。 碳多以石墨状态存在。 断口呈灰色。 软、 易切削加工。 主要用 来生产各种铸铁件原料如床身、 箱体等。 铸造生铁见下表所示: 铸造用生铁(根据 YB/T1 4 91 ) 铁号 牌号 铸34 铸30 铸26 铸22 铸1 8 铸1 4 代号 Z34 Z30 Z26 Z22 Z1 8 Z1 4 3) 球墨铸造用生铁 球墨铸造用生铁也是一种铸造生铁, 只是低硫低磷。 低硫使碳充分在铁中石墨化。 低磷提高生 铁的机械性能; 主要用于生产性能(机械性能) 较好的球墨铸铁件。 球墨生铁见下表所示: 球墨铸铁用生铁(根据 GB1 41 2-85) 牌号 Q1 0 Q1 2 Q1 6 此外现在应用的还有含钒生铁、 铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁, 见下面两个表: 含钒生铁(根据 GB5025-85) 铁号 牌号 钒02 钒03 钒04 代号 F02 F03 F04 F05 铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁(根据 GB9949-88) 铁号 NMZ34 NMZ30 NMZ26 NMZ22 NMZ1 8 NMZ1 4 2.铸铁7 铸铁是含碳大于2.1 1 % 的铁碳合金, 它是将铸造生铁(部分炼钢生铁) 在炉中重新熔化, 并加 进铁合金、 废钢、 回炉铁调整成分而得到。 与生铁区别是铸铁是二次加工, 大都加工成铸铁件。铸 铁件具有优良的铸造性可制成复杂零件, 一般有良好的切削加工性。 另外具有耐磨性和消震性良好, 价格低等特点。 7 根据碳在铸铁中存在的形态不同, 通常可将铸铁分为白口铸铁、 灰口铸铁及麻口铸铁。 见下表: 对任何一种特种铸铁而言, 首先是要求具备一定的使用性能, 如抗磨、 耐热等。 但由于是用来制造机器零件, 就需要保证有一定的机械性 能, 主要是强度和塑性, 为此需要在铸铁的化学成分设计上, 考虑同时满足特定的使用性能和一定的机械性能这两方面的要求。 1 ) 铸铁牌号的表示方法 各种铸铁代号, 由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成。 当两种铸铁名 称的代号字母相同时, 可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别。 同一名称铸铁, 需要细分时, 取其细分特点的汉语拼音第一个大写正体字母, 排列在后面。 见下表: 铸铁名称、 代号及牌号表示方法(根据 GB561 2-85) 牌号中代号后面的一组数字, 表示抗拉强度值; 有两组数字时, 第一组表示抗拉强度值, 第二 组表示延伸率值。 两组数字中间用“一” 隔开。 合金元素用国际元素符号表示, 含量大于或等于1 % 时, 用整数表示: 小于1 % 时一般不标注。 常规元素(C、 Si、 Mn、 S、 p) 一般不标注, 有特殊作用时, 才标注其元素符号及含量。 2) 白口铸铁 白口铸铁中的碳全部以渗透碳体(Fe3C) 形式存在, 因断口呈亮白色。 故称白口铸铁, 由于有 大量硬而脆的 Fe3C, 白口铸铁硬度高、 脆性大、 很难加工。 因此, 在工业应用方面很少直接使用, 只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件, 如拔丝模、 球磨机铁球等。 大多用作炼钢和可锻铸铁的坯 料。 3) 灰口铸铁 铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。 断口呈灰色。 它具有良好铸造性能、 切削加 工性好, 减磨性, 耐磨性好、 加上它熔化配料简单, 成本低、 广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。 灰口铸铁按基体组织不同, 分为铁素体基灰口铸铁、 珠光体-铁素体基灰口铸铁和珠光体基灰口铸铁 三类。 由于灰口铸铁内存在片状石墨, 而石墨是一种密度小, 强度低、 硬度低、 塑性和韧性趋于零的 组分。 它的存在如同在钢的基体上存在大量小缺口, 即减少承载面积, 又增加裂纹源, 所以灰口铸 铁强度低、 韧性差, 不能进行压力加工。 为改善其性能, 在浇注前在铁水中加入一下量的硅铁,硅 钙等孕育剂, 使珠光体基体细化, 石墨变细小而均匀分布, 经过这种孕育处理的铸铁。 称为孕育铸 铁。 灰口铸铁的牌号、 性能组织及用途见下表: 表4-21 灰口铸铁的牌号、 组织及用途 4) 可锻铸铁 可锻铸铁是用碳、 硅含量较低的铁碳合金铸成白口铸铁坯件, 再经过长时间高温退火处理, 使 渗碳体分解出团絮状石墨而成, 即可锻铁是一种经过石墨化处理的白口铸铁。 可锻铸铁按热处理后显微组织不同分两类; 一类是黑心可锻铸铁和珠光可锻铸铁。 黑心可锻铸 铁组织主要是铁素体(F) 基本+ 团絮状石墨; 珠光体可锻铸铁组织主要是珠光体(P) 基体+团絮状 石墨。 另一类是白心可锻铸铁, 白心可锻铸铁组织决定于断面尺寸, 小断面的以铁素体为基体,大 断面的表面区域为铁素体、 心部为珠光体和退火碳。 可锻铸铁牌号、 性能(根据 GB9440-88)见下 两表: 黑心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁 注: ①试样直径1 2m m 只适于铸铁主要壁厚小于1 0m m 的铸铁。 ②牌号 KTH30006适于气密性零件。 ③牌号 B 系列为过渡牌号。 白心可锻铸铁 牌 号 KTB350-04 KTB380-1 2 KTB400-05 KTB450-07 黑心可锻铸铁主要用于制造汽车、 拖拉机零件及机床附件、 如轮壳、 弹簧支座、 阀门等。 珠光 体可锻铸铁则用于制造曲轴、 连杆、 轮轴、 活塞环等。 5) 球墨铸铁 在铁水(球墨生铁) 浇注前加一定量的球化剂(常用的有硅铁、 镁等) 使铸铁中石墨球化。 由 于碳(石墨) 以球状存在于铸铁基体中, 改善其对基体的割裂作用, 球墨铸铁的抗拉强度、 屈服强 度、 塑性、 冲击韧性大大提高。 并具有耐磨、 减震、 工艺性能好、 成本低等优点, 现已广泛替代可 锻铸铁及部分铸钢、 锻钢件、 如曲轴、 连杆、 轧辊、 汽车后桥等。 根据 GB1 348-88 球墨铸铁 牌号分 为单铸和附铸试块两类; 单铸试块分八个牌号见下表: 单铸试块 牌号 QT400-1 8 QT400-1 5 QT450-1 0 QT500-7 主要金相组织 铁素体 铁素体 铁素体 铁素体+ 珠光体 牌号 QT600-3 QT700-2 QT800-2 QT900-2 主要金相组织 珠光体+ 铁素体 珠光体 珠光体或回火组织 贝氏体或回火马氏体 附铸试块分为五个牌号见下表: 附铸试块 牌号 QT400-1 8A QT400-1 5A QT500-7A QT600-3A QT700-2A 主要金相组织 铁素体 铁素体 铁素体+ 珠光体 珠光体+ 铁素体 珠光体 注: 牌号后面的字母 A 系表示该牌号在附铸试块上测定的机械性能, 以区别上表的单试块测定的性能。 除上述介绍几种常用铸铁外, 还有抗磨白口铸铁、 冷硬铸铁, 耐热铸铁等。 铸造生铁通过锻化、 变质、 球化等方法可以改变其内部结构, 改善并提高其机械性能, 因此, 铸造生铁又可分为白口铸铁、 灰口铸铁、 可锻铸铁、 球墨铸铁和特种铸铁等品种。 一、 铁的故事 在远古时代, 第一块落到人类手中的铁可能不是来自于地球, 而是来自宇宙空间, 因在一些古语中, 称称为“天降之火” 。 埃及人把铁叫做“天石” 。 可见人们最早认识的铁是从陨石开始的。 1 891 年, 在美国亚利桑纳州的沙漠中发现了一个巨大的陨石坑, 坑的直径有1200米, 深度有1 75米。 估计这块亚利桑纳州陨石有几万吨重。 有人试图想让这个“天外来客” 为他们赢利,甚至成立股票公司, 然后事实上以公司的闭闭而告终。 1 896年, 美国探险家在丹表格陵兰的冰层中发现了 一块重33吨重的铁陨石。 这块陨石历尽千辛万苦送到纽约, 至今仍然保存在那里。 “天外来客” 毕竟有限。 因此在冶金业发展之前, 用陨铁制作的器具相当的珍贵。 因此, 铁在地球上的出现与使用, 在最初是带有神秘与高贵的色彩。 只有最富有的贵族才能买得起耐磨的铁制装饰品。 在约根泰佩(公元前1 600-1 200前) 就发现了 一件用来配青铜剑身的铁剑柄, 显然, 这是作为一种贵重的装饰金属物。 在古罗马, 甚至结婚戒指一度是铁制而不是金制。 在1 8世纪探险家航行中甚至有过这样的经历, 他们用一枚生锈的铁, 可以换一头猪, 用几把破刀,就可换足够全体船员食用好几天的鱼。 因为他们遇见的波利尼亚西土著人对铁的渴望超过了其它。 有史以来, 锻造业也一直被认为是最体面的行业之一。 1 889年, 由杰出的法国工程师艾菲尔(Eiffel.G) 设计的一座宏伟的铁塔建筑物在巴黎落成。许多人认为, 这座高300米的铁塔不会持久, 艾菲尔却坚持说它至少可以矗立四分之一个世纪。到现在整整八十年过去了, 艾菲尔铁塔仍然高高屹立在巴黎, 吸引着成千上万的游客, 成为法国的骄傲。 1 958年, 在比利时首都布鲁塞尔世界工业博览会上, 一座让人过目难忘的大楼矗立起来, 这座建筑物由9个巨大的金属球组成, 每个球的直径为1 8米, 8个球处于立方体的每个角顶, 第9个球处于立方体中心, 这正是一个放大上千亿倍的铁晶体点阵模型, 它叫阿托米姆(Atomin) ,也是铁的象征人类不可缺少的朋友。 二、 炼铁发展的一般情况 由于人类对铁的需要量不断增加, 人们把视线投向了 地球本身, 希望能在地球中找到所需要的铁, 而不再是坐等“天外来客” 的馈赠。 为此人们作了不懈的努力。 当人们学会了 从矿石中提炼出铁以后, 青铜时代就让位于铁器时代。 在人类历史上, 起过革命作用的原材料中铁应该居首位, 无论在世界的哪个地区, 冶铁技术的发明都是划时代的重大事件。 据研究, 铁的大量出现是在公元前八世纪。 在霍萨巴德的王宫贡物中(公元前720-705年)就发现了 160吨铁, 其中多是铁棒。 公元前800年, 欧洲转入早期铁器时期。 炼铁知识传到不列颠, 大约是在公元前500年。 与此同时, 约公元前400年, 已由伊朗自东传到印度, 也可能传到中国。 欧洲早期铁器时代带触角木剑柄的剑与中国商周青铜剑之间就有很大的相似性。 制铁技术分为两部分: 即冶炼和热锻。 可能首先掌握并用于陨铁。 纯铁的熔点为1 540℃。 这个温度在公元19世纪前是不可能达到的。 因此早期生产的锻铁都是固态铁。 用木炭火在约1 200℃的温度下, 把铁矿石还原成基本上是纯的固态铁。 还原出来的铁呈团块状, 称为“坯铁” 。 这是一种固态铁、 渣和未烧完木炭屑的混合物。 有时要把这种坏铁破碎, 靠敲击使小铁块相互分开。 这种小铁块可以与其它部分区别开来。 因为它们是可锻的, 在敲击下变平。 然后把它们放在锻炉加热, 经过热锻, 小铁块就能被锻接成大块。 早期的冶铁技术, 大多采用“固体还原法” , 即冶铁时, 将铁矿石和木炭一层夹一层地放在 炼炉中, 点火焙烧, 在650 ̄1 000℃温度下, 利用炭的不完全燃烧, 产生一氧化碳, 遂使铁矿石中的氧化铁被还原成铁。 但是由于炭火温度不够高, 致使被还原出的铁只能沉到炉底而不能保持熔化状态流出。 人们只好待把铁炼成, 炼炉冷却后, 再设法将铁取出。 这种铁块表面因夹杂渣滓而显粗糙, 有的还不如青铜坚韧。 后人们发现, 炼出的铁反复加热, 压延锤打, 才能柔韧不脆。 人们还发现再将红热的锻铁猛淬入冷水会变成坚韧的好铁, 这种铁比青铜好。 最原始的炼铁炉是碗式炉。 它只不过是在地上或岩石上挖出一个坑, 风可以从鼓风器通过风嘴直接鼓入, 碎矿石和木炭混装或分层装在烧红的炭火上, 最高温度至少应达1 1 50℃。 这种炼炉没有出渣口, 炉渣向下流到底部结成渣饼或渣底, 有时则结成圆球, 即渣球或渣粒。 坯铁留在渣上面, 在冶炼过程结束后, 打开粘土上部结构, 取出坏铁, 清理炼炉。 这种无出渣口的碗式炉即竖炉是欧洲早期铁器时代的代表。 后在罗马时代由带出渣口的改进型碗式炉代替, 有卧式和立式两种。 在罗马时代, 剑是重要的武器。 在广泛采用铁器时代的叠锻和表面渗碳技术的同时, 还采用了 更复杂的技术, 如花纹焊接技术, 制作者们借此在制品上加上他们个人的标记。 在来自墓葬的实物中, 不管男女的随葬品都有武器, 如男人用剑和矛头, 女人则用一种“纺织用的剑” ,那是一种花纹焊接的铁剑身。 在中世纪的欧洲, 只有修道院或者主教人士才有充足的资金投入到炼铁工业中去。 炼铁工业的大规模发展仰仗于宗教机构的势力。 如1 408年, 不列颠的达勒姆主教建立了第一座有文件为证的, 利用水力于鼓风器的熟铁吹炼炉。 它的出渣口在炼炉之侧。 此外, 由于采用水力鼓风器,就有可能进行连续作业, 从而可用高炉炼铁, 高炉的特点是铁水和炉渣从炉口底部排出的。 1 6世纪的高炉在两侧各开一个口, 一个是风口, 另一个为出铁口。 高炉第六天 (一个冶炼期)大约只能出4~5吨铸铁。 一座高炉贮存在不了这么多的铸铁。 由于受到容积的限制, 遂发展成早期的双炉。 1 549年, 双炉能生产出重2200公斤的铁炉铸件。 在欧洲高炉的发展过程中, 有两种基本炉型相互竞争, 一种是矮炉腹型高炉, 和一种是高陡面炉腹型高炉。 1 750年, 英国的工业革命开始了。 在燃烧上用焦炭代替木炭, 这种转变使炼铁业突破了 束缚,不再为木炭的短缺而陷入困境。 因为不仅民用燃烧需要大量木料, 而且为了提高农业产量也在大量砍伐森林。 因此, 对于人口密度高的国家, 要靠木炭来增加铁的产量是不易的。 到18世纪末, 煤和蒸汽机已使英国的炼铁业彻底改革, 铁的年产量从公元1720年的2.05×1 0000吨/ 年(大多是木炭铁) 增加到1 806年2.5× 1 00000吨/ 年(几乎全是焦炭铁) 。 估计, 每生产一吨焦炭需煤3.3吨左右。 但是, 高炉烧焦炭势必增加碳含量, 以致早期的焦炭生铁含碳在1.0%以上, 全部成为灰口铁即石墨铁。 高炉的尺寸在1 8世纪内一直在增大。 从公元1 650年约7米, 到1 794年俄国的涅夫扬斯克高炉已增高到13.5米。 因为焦炭的强度大, 足以承担加入的炉料的重量。 大多数的炼炉采用炉缸、炉腹和炉身三部分按比例构成。 1 9世纪末, 平滑的炉衬公认为标准的炉衬, 这基本上已经是现在的炉型。 炉底直径约10米, 炉高约30米。 全部高炉都设有两只以上的风嘴。 另一个巨大的进步就是采用热风。 20世纪后, 现代钢铁业就蓬勃发展起来。


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