Каким образом получают чугун
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Каким образом получают чугун

Каким образом получают чугун

Из железных руд сначала получают чугун, а потом, в случае надобности, перерабатывают его в сталь.
Превращение железной руды в чугун происходит в доменной печи. Домна, или доменная печь, представляет высокую вертикальную шахту, имеющую форму двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями. Верхний и нижний конусы у вершин переходят в цилиндры. На рисунке 1 приведен схематический разрез доменной печи с обозначением отдельных частей ее и указанием температурных интервалов.

Сырые материалы — руда, кокс, известняк — загружаются в печь сверху. Самая верхняя часть печи, где производится загрузка сырых материалов, называется колошником. Ниже, в виде расширяющегося конуса, идет шахта, которая переходит в распар (самая широкая часть печи). Еще ниже идет конусная часть, суживающаяся книзу и называемая заплечиками. Самая нижняя часть доменной печи (цилиндрическая) называется горном.

В нижней части горна, металлоприемнике, стекает расплавленный чугун и шлак, которые периодически выпускают наружу. Дно горна называется лещадью. Стены печи выложены огнеупорным кирпичом (шамотом) и стягиваются снаружи или железными кольцами или сплошным кожухом из листового железа.
Работа доменной печи протекает следующим образом.

Доменную печь загружают через колошник поочередно слоями топлива, железной руды и флюса.
Отверстие закрывают колошниковым затвором, который состоит из двух воронок — колоколов — и двух попеременно опускающихся конусов. Конусы дают возможность улавливать и отводить доменные (колошниковые) газы. Двойной колошниковый затвор гарантирует от проникновения в печь внешнего воздуха, что предохраняет от взрыва смеси воздуха с доменными газами и обеспечивает наилучшее использование последних.

При загрузке шихты конус от тяжести опускается и через получающийся кольцевой зазор шихта проваливается в печь. Загрузка шихты производится периодически, определенными порциями (4—8 т), по мере плавления руды.

На высоте распара доменную печь охватывает железная кольцевая труба, выложенная внутри огнеупорным кирпичом.

По этой трубе из кауперов в доменную печь подается воздух, нагретый до температуры 700—800°. Горячий воздух вводят в печь через фурмы—специальные трубы конической формы с двойными стенками, охлаждаемые циркулирующей водой. Фурмы заделываются в кладку горна.

У дна горна находится забиваемое глиной выпускное отверстие для чугуна, называемое чугунной леткой, а несколько выше — выпускное отверстие для шлака, называемое шлаковой леткой.

Пущенная в ход доменная печь нормально работает непрерывно пять-семь лет и останавливается только для ремонта.

Для того чтобы удобнее рассматривать процессы, происходящие в доменной печи, нужно разбить ее по высоте на пояса.

В доменной печи наблюдаются два движения, направленные в противоположные стороны: снизу вверх движутся газообразные продукты горения, а навстречу им опускаются сверху вниз руда, топливо и флюсы. Попадая в подготовленный пояс с температурой 200 — 400°, руда теряет влагу и разрыхляется.
Здесь не происходит процессов, изменяющих состав руды, а идет только подготовка ее к дальнейшей переработке, почему этот пояс и называется подготовительным.

В следующем поясе, при температуре 400—800°, окись углерода, образующаяся при неполном сгорании топлива, отнимает от руды кислород — получается чистое железо, или как говорят, железо восстанавливается; поэтому пояс печи, где происходит указанный процесс, называется восстановительным.

Опускаясь ниже, восстановленное железо нагревается до температуры 900—1000° и растворяет в себе углерод, который получается из окиси углерода или непосредственно из раскаленного кокса. Процесс поглощения углерода железом называется науглероживанием, или цементацией, а соответствующий ему пояс носит название пояса науглероживания. В результате процесса науглероживания железо поглощает от 2 до 6% углерода; полученный после этого сплав называют чугуном.

По мере опускания образовавшийся чугун нагревается до температуры плавления 1000—1200° и переходит в жидкое состояние, вследствие чего он крупными каплями стекает вниз на дно горна. Пояс, в котором происходит расплавление чугуна, называется поясом плавления.

При помощи флюса пустая порода и зола топлива плавятся одновременно с чугуном.

После того как чугун и шлак стекут в горн, происходит их расслоение. Шлак легче чугуна, поэтому он всплывает на поверхность чугуна и после известного накопления выпускается через отверстие в ковш и отвозится для дальнейшей переработки. Чугун выпускается четыре-пять раз в сутки через летки и направляется на разливочные машины или ковши.

Современные доменные печи имеют следующие размеры: высота 25—35 м, диаметр 7—10 м; производительность до 1 000 т чугуна в сутки.

В состав чугуна в процессе плавки, кроме углерода, входят кремний, марганец, фосфор и сера, присутствие которых в чугуне изменяет его сорт и механические свойства.

Углерод — наиболее важная примесь в чугуне. В зависимости от количества и формы входящего в сплав углерода получаются те или иные механические качества и сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом чугуне он получается или в химически связанном с железом состоянии или же в виде механической примеси к железу в форме мелких пластинок графита. Первая форма соединения носит название белого, а вторая — серого чугуна.

Белый чугун представляет материал чрезвычайно твердый, трудно поддающийся обработке, очень хрупкий, густоплавкий; в изломе он белого цвета, строение имеет лучистое и листовидное, но не зернистое.

Серый чугун значительно мягче белого, легко обрабатывается режущими инструментами, хрупкий, жидкодшав-кнй; в изломе он имеет серый цвет, а строение крупнозернистое.

Кремний входит в чугун в количестве от 0,5 до 3%. Кремний восстанавливается и переходит в чугун из кварцевого песка (пустая порода в доменной печи).

Кремний способствует выделению углерода из чугуна в виде графита, иначе говоря — получению мягкого серого чугуна.

Марганец переходит в чугун в доменной печи из марганцовистой руды, которую в нужном количестве забрасывают в доменную печь.

Содержание марганца в чугуне допускается от 0,3 до 1,25/’6. Его действие противоположно действию кремния, так как он затрудняет выделение углерода в виде графита, т. е. углерод химически связывается с железом. Чем тверже изделие, тем больше марганца должно входить в чугун. Увеличение содержания марганца сверх 1,25% делает чугунные изделия настолько твердыми, что обработка их становится затруднительной.

Фосфор переходит в состав чугуна из руды, так как доменный процесс не дает возможности его удалить. Содержание фосфора в чугуне допускается от 0,02 до 0,7%. Фосфор делает чугун легкоплавким и хрупким в холодном состоянии (хладноломким).

Сера очень вредная примесь для механических качеств чугуна. Она увеличивает твердость, хрупкость чугуна, способствует образованию раковин в отливках.

Сера попадает в чугун через исходные материалы, которые идут в плавку (руда, топливо и огнеупоры). Чугунные изделия с примесью 0,1 % серы легко дают трещпны при нагревании их до 600—700°. Такой вид брака называется красноломкостью.

Чугун: процесс производства, классификация и маркировка

В век бурного развития металлургической промышленности и производства чугун играет ключевую роль. Давайте разберемся, что это за материал, как он появился, как производится, какими свойствами обладает, какие виды классификации чугуна существуют, и каким образом он применяется в различных областях промышленности.

Определение

Чугуном называется смесь 2,14 % углерода с железом, полученная при термическом нагревании в доменных печах до 1200 градусов Цельсия. С помощью шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.

Помимо углерода, для получения особых параметров, в металлическую матрицу, добавляются такие элементы, как Si, Mg, P, S. Также широко применяются легирующие агенты – Cr, V, Ni, Al.

История

Технология изготовления чугуна пришла к нам из Китая, где «ходили» чугунные деньги еще в 10 веке нашей эры. Потомки монголов уже в 13 веке готовили котлы из этого сплава. На полях сражений в Столетней войне впервые применялись артиллерийские орудия и боеприпасы, отлитые из данного твердого раствора. В России его широкое применение в изготовлении оружия было налажено в 16 веке после появления доменной печи. В связи с этим, в 1701 году был построен Уральский чугунолитейный завод, который стал началом народного промысла, получившего название «Каслинское литье».

Начиная с 18 века Великобритания занимает пальму первенства по производству чугуна в мире. Благодаря новой технологии Уилкинсона, к середине 19 века в этой стране производилось половина всего мирового объема.

Технология изготовления не стояла на месте, что позволило Соединенным Штатам в конце 19 века вырваться вперед.

В то время из этого сплава начали изготавливать рельсы, водопроводные и канализационные трубы, камины, и такие сложные инженерно-строительные сооружения, как мосты.

Процесс производства чугуна

Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством. В качестве сырья используют 4 основных группы руд:

  • Гематитовый железняк, состоящий из ангидридного оксида железа, держит 70% (Fe) и 30% (O);
  • Магнетитовый железняк, содержит 72,4% (Fe), и 27,6% (O);
  • Бурый железняк, содержит 59,8% элементарного железа;
  • Сидеритовый железняк, содержит 48,3% (Fe).

Технологический процесс проходит в несколько этапов

Сначала, в процессе подготовки, измельчают железную руду с содержанием оксидов железа (FeO и Fe2O3) не менее 40% от общей массы. Затем путем дробления, грохочения, усреднения, промывки, обогащения и обжига, избавляются от неметаллических примесей – S, P, As, и поднимают массовую долю основного металла в руде.

По окончанию, подготовительного этапа, загружают все компоненты в печь.

Доменная печь представляет собой непрерывно действующее металлургическое оборудование в виде шахты, массой 30 тысяч тонн. Доменная печь состоит из 5 элементов: верхней части в форме цилиндра – колошника, широкой конической части – шахты, широкой части – распары, зауженной части – заплечиков и нижней части – горна. Загрузка всех компонентов производится сверху через колошник, а готовый продукт и шлак раздельно выходят снизу из горна.

Одновременно с рудой в домну помещают коксующиеся угли, выполняющие функцию топлива. В процессе термического разложения углей образуются соединения углерода, участвующие в качестве восстановительного агента. Для ускорения процесса высвобождения металла из руды добавляется флюсы. Обычно это горные породы, содержащий оксиды кальция и магния.

После окончания этапа загрузки начинается процесс выплавки, когда загруженные компоненты превращаются в сплав, шлак и газ. Физико-химические реакции, протекающие при этом можно охарактеризовать как восстановительно-окислительные, так как происходит восстановление окислов железа и окисление восстановительного агента.

Читать еще:  Способы самостоятельного определения веса золота

Процессы протекающие в печи

Процессы, протекающие в доменной печи можно описать следующими химическими уравнениями:

При нагревании кокса происходит выделение элементарного углерода, который с кислородом образует углекислый газ.

С + О2 = СО2 + выделение энергии

CO2 при нагревании дальше окисляется до оксида углерода, и восстанавливает элементарное железо из его оксидов в руде.

Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2

После реакции восстановления, металл насыщается углеродом, а при достижении 1150-1200°С стекает уже в форме металлического компаунда в горн. Из остатков пустой руды и флюсов образуют отход — шлак, который непрерывно удаляется.

Параметры чугуна

Плотность — 7,2 г/см3. Температура плавления составляет 1200 °С. Хрупкость и малая пластичность сплава обусловлена следующими факторами:

  1. Увеличение длины связи, между атомами Fe, из-за повышенного содержания углерода;
  2. Неполное внедрение атомов углерода в структуру матрицы железа в связи с низкой, по сравнению со сталью, температурой плавления.

Именно по этим причинам, данный твердый металлический раствор нашел широкое применение в производстве деталей, обладающих высокой прочностью. Однако, он не подходит для продукции, подвергающейся нагрузкам, значения которых быстро изменяются во времени.

Классификация чугунов

Существуют несколько видов классификации чугунов.

  1. По содержанию элементарного углерода делятся на:
    • доэвтектический (2,14-4,3 %);
    • эвтектический (4,3%);
    • заэвтектический (4,3-6,67%).
  2. По видам углерода, и цвету излома:
    • Белый (С > 3%, в форме карбида). Его применение ограничено производством изделий, не подвергающихся большим нагрузкам, из-за значительной хрупкости. Но при добавлении легирующих присадок, содержащих хром, никель, ванадий, алюминий повышаются его эксплуатационные параметры;
    • Серый (С -2,5%, в форме перлита) обладает хорошей износостойкостью и понижает силу трения. Применяется при изготовлении деталей промышленного оборудования, подвергающихся циклическим нагрузкам. При добавлении специальных присадок, имеющих в составе Mo, Ni, Cr, B, Cb, Sb улучшается стойкость при использовании в агрессивных средах;
    • Половинчатый (С – 3,5-4,2%, в форме графита и карбида и наличие следовых количеств цементита и ледебурита). Такой вид нашел свое применение при производстве изделий, подвергающихся постоянному трению.
  3. По физическим параметрам, согласно ГОСТ 1412-54 и 1215-59, различают марки чугуна:
    • Ковкий (КЧ), представляет собой его белую разновидность после специального обжига. При этом доля углерода находится на уровне 3,5%, и он представлен в форме Fe2O3 или зернистого перлита, с графитовыми включениями. В качестве присадок для повышения устойчивости к трению обычно добавляют Mg, Te, B. Следует отметить, данная марка никогда не подвергается ковке, в прямом смысле этого слова;
    • Высокопрочный (ВЧ), образуется путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и введении в состав магния, кальция, селена, иттрия. Характеризуется улучшенными механическими, теплопроводными пластическими параметрами.
  4. По специфическим свойствам:
    • Износостойкий;
    • Антифрикционный;
    • Коррозионностойкий;
    • Жаростойкий;
    • Немагнитный.
  5. По шкале твердости Бринелля:
    • Мягкий (НВ менее 149);
    • Умеренной твердости (НВ 149-197);
    • Улучшенной твердости (НВ 197-269);
    • Твердый (НВ более 269).
  6. По значению временного сопротивления при растяжении:
    • Обыкновенной прочности (менее 20 кгс/мм2);
    • Улучшенной прочности (20-38 кгс/мм2);
    • Максимальной прочности (более 38 кгс/мм2).
  7. По магнитным характеристикам:
    • Ферромагнитный — обладающий магнитными свойствами, из-за высокого содержания в металлической матрице феррита и цементита;
    • Паромагнитный – обладающий малой магнитной проницаемостью, содержащий в своем составе присадки из хрома, меди и алюминия.

Маркировка

По Гостам, все существующие марки обозначаются 2 буквами и 2 числами, при этом числа отражают значения временного сопротивления (кгс/мм2) и относительного удлинения (%). К примеру, цифры в марке КЧ-30-6, показывают временное сопротивление — 30 кгс/мм2 и относительное удлинение — 6 %.

Путем введения в состав специальных добавок, модифицируют состав сплава. Тогда к названию марки прибавляется буква М.

Области использования

Применение различных марок чугуна зависит от металлургического компаунда и его эксплуатационных характеристик.

Белый вид используется в производстве нагревательных элементов и бытовой сантехники (ванн, раковин), а также является сырьем для получения ковких разновидностей твердых растворов.

Серый — входит в состав различных элементов двигателей для машиностроительной отрасли.

Ковкий – при изготовлении тормозных колодок и деталей для промышленного измельчительного оборудования. Кроме того, он имеет широкое применение в текстильной промышленности при отливке запасных частей сложной формы для оборудования. Применяется КЧ при изготовлении кухонной посуды, элементов интерьера, уличных фонарей, перил для лестниц.

Высокопрочный сорт применяется при производстве труб, фитингов для водоснабжения, канализации, нефтедобывающего производства. Кроме того, из него делают секционные радиаторы, эксплуатируемые в системах центрального отопления жилых домов и административных зданий.

Из ферромагнитного типа изготавливают электрощиты и другие составляющие электротехнического оборудования, а немагнитный его тип наоборот используется в качестве электроизолирующего материала.

В огромном количестве чугун используется как сырье на сталелитейных предприятиях.

Интересные факты

По мнению профессора Мариенбаха, свое название чугун получил от китайского слова – «чжугун», что в переводе означает «литейщик».

Чугунная посуда издавна используется по всему миру и очень удобна для приготовления различных видов пищи.

Неотъемлемым атрибутом русских народных сказок является печь, в которой в чугунке – сосуде определенной формы и отлитой из данного сплава, герои варили главное блюдо – картошку в мундире.

Самые лучшие блины получаются на чугунной сковородке.

До появления электрических утюгов, хозяйки использовали тяжелые чугунные утюги, с идеально гладкой подошвой нагревая её до красна, над источником огня.

Следующим этапом, были угольные чугунные утюги по своей конструкции напоминающие маленькие печки. Для их разогрева внутрь помещали березовый уголь. Такой утюг даже имел трубу для получения необходимой тяги.

Известные нам с детства канализационные люки для смотровых колодцев имели круглую форму, отливались из чугуна и были впервые изготовлены сто пятьдесят лет назад.

Производство чугуна во всем мире в 2015 году составило более 898 млн. тонн, что на 3% меньше чем в 2008 году.

Заключение

Подробно рассмотрев те вопросы, которые были поставлены выше, можно заключить:

  1. Чугун – это сплав железа с углеродом с добавлением специальных модификаторов;
  2. Для его производства добываются различные типы руд, подвергающиеся предварительной подготовке и обогащению;
  3. Выплавка происходит в доменной печи, которая непрерывно работает и представляет собой целый металлургический комплекс оборудования;
  4. В зависимости от количества и форм растворенного углерода в металлической матрице, все сплавы делятся на различные виды и обладают различными свойствами;
  5. Применение различных марок чугуна напрямую зависит от его физико-химических параметров полученного сплава;
  6. Несмотря на наличие новых типов материалов, кухонная чугунная посуда до сих пор пользуется спросом у многих домохозяек и поваров;
  7. Старинные угольные чугунные утюги представляли собой маленькую печку и топились углем, что делало процесс глажки очень утомительным и пожароопасным делом;
  8. Производство чугуна достаточно энергоёмкое и финансово затратное дело, поэтому в настоящее время его объем неизменно сокращается во всем мире, так как на смену приходят другие современные, износостойкие и дешевые в изготовлении композиционные материалы.

Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Свойства чугуна

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна – весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Читать еще:  Как заточить ступенчатое сверло

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже – ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна – производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Свойства чугуна

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна – весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Читать еще:  Где применяется инструментальная углеродистая сталь

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже – ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна – производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

Ковка чугуна

Ковкий чугун – это разновидность чугуна, полученного термической обработкой белого чугуна. Отличительной особенностью ковкого чугуна является присутствие графита в хлопьевидной форме.

Какой чугун называют ковким

Надо понимать, что ковкий чугун, это не чугун, полученный ковкой. Изделия из ковкого чугуна при высокой влажности могут деформироваться даже при комнатной температуре. Данное свойство ковкого чугуна и предопределило его название. Ковкий чугун получают литьем. Интересной и важной особенностью ковкого чугуна является отсутствие внутренних напряжений.

Виды чугунов

Напомним, что все чугуны подразделяются на следующие группы:

  • белые;
  • серые (ГОСТ 1412);
  • ковкие (ГОСТ 1215);
  • высокопрочные (ГОСт 7293 ).

В белом чугуне углерод присутствует в форме цементита. Белые чугуны обладают высокой твердостью и стойкостью к износу. По причине высокой твердости белый чугун очень трудно поддается обработке на металлорежущем оборудовании.

В сером чугуне углерод присутствует в пластинчатом виде. Серые чугуны не такие твердые, как белые. Основная сфера их применения в конструкциях, которые не испытывают ударных нагрузок.

В ковком чугуне графит присутствует в хлопьевидной форме. Из ковкого чугуна изготавливают изделия, работающие при высоких ударных и вибрационных нагрузках.

В высокопрочном чугуне графит присутствует в шаровидной форме. Высокопрочный чугун получают модифицированием его магнием, который и обеспечивает формирование углерода в виде шариков. Высокопрочные чугуны по своим свойствам близки к углеродистым сталям. Из высокопрочного чугуна изготовляют поршни, коленчатые валы, различные компоненты систем торможения.

Получение ковкого чугуна

Как уже было сказано выше, ковкий чугун получают термической обработкой белого чугуна с последующим томлением (выдержкой при определенной температуре).

Поскольку белые чугуны обладают плохими литьевыми качествами, при производстве ковких чугунов необходимо принимать меры, направленные на снижение дефектов литья. С этой целью белый чугун перегревается, а при отливке учитывается его усадка, а также изменение размеров заготовок во время томления, которое выполняется при температуре 1350-1450°С.

Процесс томления ковкого чугуна проводится в специальных цехах, где заготовки, выполненные из чугунных сплавов, размещаются в горшках, вмещающих до 300 отливок.

Максимальную прочность ковкий чугун получает, если проходит процесс отжига в горшках, выполненных из белого чугуна, легированного хромом.

Ковкий чугун производится в муфельных электропечах, которые могут в режиме томления гибко регулировать температуру, при этом продукты сгорания топлива не контактируют с горшками, с уложенными заготовками.

Марки ковкого чугуна

Ковкий чугун маркируется КЧ 45 – 6. Первое число – это прочность на растяжение, второе – это удлинение в процентах.

Основные физико-технические параметры ковкого чугунного сплава нормированы в ГОСТ 1215-79.

Конкретная марка КЧ непосредственно зависит от условий, в которых проводилось томление. После этой операции получают три класса чугуна КЧ:

  • Ферритный класс содержит феррит и хлопьевидный графит:
    • КЧ 30-6
    • КЧ 33-8
    • КЧ 35-10
    • КЧ 37-12
    • Перлитный класс содержит перлит и хлопьевидный графит:
      • КЧ 45-7
      • КЧ 50-5
      • КЧ 56-4
      • КЧ 60-3
      • КЧ 65-3
      • КЧ 70-2
      • КЧ 80-1,5
      • Ферритно-перлитный класс содержит феррит, перлит и хлопьевидный графит.

Структура ковкого чугуна

Компактные графитовые включения, являющиеся основной особенностью микроструктуры ковкого чугуна, определяют его высокую прочность и пластичность. Ковкий чугун с низким содержанием углерода является единственным видом чугуна, который поддается сварке. Он хорошо прессуется, расчеканивается, легко заполняя зазоры и пустоты.

Состав ковкого чугуна:

  • C – 2,4-3,0%
  • Si – 0,8-1,4%
  • Mn – 0,3-1,0%
  • P – до 0,2%
  • S – до 0,1%

Пройдя процесс томления, ковкий чугун содержит аустенит и графит.

При медленном охлаждении цементит, входящий в состав перлита, разлагается, и структура приобретает вид из феррита и графита (ферритный ковкий чугун).

При быстром охлаждении получается перлитный ковкий чугун, поскольку вторая стадия разложения отсутствует.

Применение ковкого чугуна

Применение изделий из ковкого чугуна обусловлено его механическими свойствами, которые находятся между сталью и серым чугуном. С одной стороны ковкий чугун обладает высокими показателями текучести, износостойкости, хорошими антикоррозионными свойствами. С другой стороны, ковкие чугуны высокопрочны, что позволяет их использовать в производстве трубопроводной арматуры для газа и воды.

При низких температурах ковкий чугун становится достаточно хрупким и боится ударных нагрузок.

Изделия из ковкого чугуна широко применяются в машиностроении, автомобилестроении, железнодорожном транспорте.

Наибольшее применение нашли ферритные отливки, производство которых дешевле. Из ферритного ковкого чугуна изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Перлитный ковкий чугун используется для изготовления деталей, работающих в узлах под высокими нагрузками. Из перлитных чугунов изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Ковкий чугун используют для получения отливок с тонкой стенкой, размер которой может колебаться в диапазоне от 3 до 40 мм.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector