Материаловедение способы получения чугуна

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.

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.

Источник

Производство чугуна — как получают чугун?

Производство чугуна

Производство чугуна и сама черная металурия своими истоками отходит ко II-ому тысячелетию до н. э., когда человек начал использовать эти процессы, чтобы получить сталь. Первая доменная печь появилась в Европе только в XIV — XV веках. В это время чугун получался как побочный продукт, не имеющий ценности.

Чугун — это металл, который широко используется в разнообразных отраслях промышленности и отличается хорошими рабочими характеристиками. Его получают с помощью относительно несложного процесса, который не включает в себя много шагов. Производство чугуна осуществляется в доменных печах, которые представляют собой что-то по типу большой пробирки. О процессе получения чугуна вы узнаете подробнее из этой статьи.

Горно-обогатительные комбинаты

Основное сырье, которое используется для производства чугуна, это железная руда. Добыча производится в открытых карьерах в разных областях Украины. В составе железной руда, как известно, есть много различных примесей, поэтому ее использование в сыром виде для получения чугуна невозможно. Добытая руда изначально транспортируется на предприятие, имеющее специальное назначение, которое называется горно-обогатительным комбинатом. На этом предприятии из руды удаляется пустая порода, а также происходит процесс дробления. Потом чистую (обогащенную) руду с помощью железнодорожного транспорта доставляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации — производство чугуна

Непосредственно сам процесс получения чугуна мы рассмотрим чуть ниже. Перед этим рассмотрим процесс подготовки руды для выплавки чугуна.

Использование для переплавки обычного дробленного материала резко снижает производительность доменной печи из-за того, что такой материал будет иметь низкую степень газопроницаемости. Решить эту проблему можно с помощью процесса агломерации, который происходит перед загрузкой руды в доменную печь. Этот процесс производится на специальных участках (цехах) металлургического комбината. Агломерация – это спекание породы в куски определенного размера, который наиболее подходит для производства чугуна. Высокая температура обеспечивает слипание частиц шихты, которые образуют куски, но они, в свою очередь, могут легко плавиться. Железная руда предварительно смешивается с углем. Горение угля обеспечивает необходимую температуру для спекания кусков. Также происходит стимулирование процесса агломерации потоком воздуха (сверху вниз), который пропускается через слой руды с углем.

Агломерат можно получить не только с помощью руды. Его также можно получить из небольших кусков железа, т.е. обычный металлолом может служить сырьем для чугуна.

Что происходит в печи — как получают чугун

Теперь рассмотрим производство чугуна непосредственно в доменной печи. Доменная печь такой конструкции как на рисунке внутри облицована кирпичом. Также она имеет достаточно простой принцип работы. При производстве чугуна, используют не только агломерат, но и кокс, известь и флюс. Эти материалы смешиваются в заданной известной пропорции, и данная смесь называется доменной шихтой. С помощью специальных подъемников она поднимается на верх доменной печи. Возгорание кокса возможно только при наличии большого количества воздуха, который обогащен кислородом. Воздух подается под большим давлением с помощью специальных фурменных отверстий внизу печи для того, чтобы он проник через пласт шихты, подаваемой сверху. Поток воздуха подогревают до 600-800С, чтобы поддерживать нужную температуру внутри печи. Чугун, который образуется из расплавленной шихты, стекает вниз и с определенной периодичностью (1 раз в 40 мин) и выпускается наружу через специальное отверстие, которое называется летка. После этого с помощью чаш больших емкостей он транспортируется в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Доменные печи работают по принципу противотока. Вот основные химические процессы, которые происходят в печи поочередно:

Восстановление железа.

Этот последовательный процесс выглядит так: Fe2O3 — Fe3O4 — FeO — Fe. В этом случае восстановителем является оксид углерода (CO), который образуется при взаимодействии CO2 с раскаленным коксом.

Науглероживание железа

Химическая реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 + Q. Карбид Fe3C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Когда он стекает вниз, омывая куски кокса, он науглероживается еще больше. Кроме этого, такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д., при этом растворяются. Теперь понятно, что металл из доменной печи — это сплав железа с углеродом.

Восстановление других элементов

Марганец, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO2 — Mn2O3 — Mn3O4 — MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO — Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO2. Его восстановление происходит по реакции SiO2 + 2C = Si + 2CO — Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, практически полностью переходит в чугун. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. В то же время, кремнезем позволяет получать чугун хорошего качества, а также высшие оксиды марганца. Марганец в некоторых случаях добавляется в доменную печь специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Получение чугуна хорошего качества, в основном сводится к его очистке от серы, которая является нежелательным элементом. Сера — это основная вредная примесь, значительно ухудшающая свойства конечного продукта выплавки. Самое большое количество серы содержится в коксе. Удаляют серу с помощью извести (CaO), которую вводят в состав шихты, и увеличения температуры. Химическая реакция в этом случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Чтобы снизить процент серы в чугуне можно использовать и другие способы. Например, обрабатывать выплавленный материал в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в химической реакции FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2.

Образование шлака

Из вышенаписанного теперь понятно как получают чугун. Но производство чугуна ведет к образованию еще одного продукта, который получил широкое использование – это шлак. При выплавке 1 тоны чугуна образуется 0,6 тоны шлака. Это происходит из-за того, что даже в очищенной железной руде содержится много глины. А в состав кокса входит зола. Поэтому для удаления этих ненужных элементов в шихте, используются флюсы (карбонат кальция и карбонат магния). При плавке они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, и в результате этого процесса образуется шлак. Шлак представляет собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность жидкого чугуна выше, чем плотность шлака. Поэтому в процессе плавки шлак располагается сверху. Его периодически удаляют через шлаковую летку. Шлак является побочным продуктом чугунолитейного производства, но широко используется в строительной отрасли для изготовления цемента и строительных блоков. В данном применении шлак используется как наполнитель.

Поэтому данный вопрос — как получают чугун — не является слишком сложным. Но следует иметь ввиду, что в доменной печи можно получить чугун, который будет отличаться по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны делятся на два вида: передельный чугун (белый чугун) и литейный чугун (серый чугун). Первая разновидность используется в качестве сырья при производстве стали. Литейный чугун применяют для получения разнообразных чугунных отливок, которые могут использоваться как готовые изделия в различных отраслях промышленности.

Основные свойства чугуна зависят от количества примесей, которые входят в его состав: марганца, фосфора, кремния и серы.

Источник