Из чего делается чугун

Чугун — широко используемый в разных отраслях промышленности металл, отличающийся замечательными эксплуатационными характеристиками. Процесс его получения относительно несложен и слишком много шагов в себя не включает. Выплавляют этот материал в домнах — особых печах, представляющих собой нечто вроде увеличенной копии пробирки. О том, как получают чугун, и поговорим далее во всех подробностях.

Горно-обогатительные комбинаты

Основным сырьем, используемым при производстве чугуна, является железная руда. Добывают ее в карьерах в разных местах нашей страны. Как известно, добытая руда содержит большое количество разного рода примесей. Использовать ее для плавки чугуна в таком "сыром" виде, конечно же, нельзя. Поэтому на первом этапе она поступает на специальные предприятия — горно-обогатительные комбинаты. Здесь из нее удаляют пустые породы и дробят. Затем уже чистую руду грузят в вагоны составов и отправляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации

Собственно, как получают чугун, рассмотрим чуть ниже. Сейчас же поговорим о том, как подготавливается руда для его выплавки непосредственно на металлургических производствах.

Если для переплавки будет использован обычный дробленый материал, производительность доменной печи резко упадет. Дело в том, что такая шихта имеет низкую степень газопроницаемости. Поэтому перед загрузкой в домну руда в обязательном порядке проходит процесс агломерации.

Выполняется эта процедура в специализированных цехах металлургических комбинатов и представляет собой процесс спекания породы в куски определенного, наиболее подходящего для выплавки чугуна размера. Происходит слипание при высокой температуре, достаточной для легкого расплавления поверхности частиц шихты. В результате последние просто-напросто склеиваются друг с другом, образуя куски. При этом предварительно руда смешивается с углем. В результате горения последнего и достигается необходимая для получения кусков температура. Стимулируется процесс агломерации путем пропускания через слой руды с углем потоков воздуха (сверху вниз).

Для получения агломерата может использоваться не только руда. Иногда его делают также из небольших кусков железа. Его сплав с каким веществом позволяет получить чугун, будет рассмотрено ниже. Конечно же, для производства этого металла используется не железо в чушках. Переплавляют на чугун обычный металлолом.

Что происходит в печи

Итак, давайте посмотрим, как получают чугун в домне. Изнутри печь такой конструкции облицована кирпичом. Принцип ее работы относительно прост. При производстве чугуна, помимо агломерата, используются кокс, известь и флюс. Смесь из этих материалов готовится в определенной пропорции. Она то и называется доменной шихтой. Ее насыпают в специальные подъемники и поднимают на самый верх печи.

Для того чтобы кокс загорелся, необходимо большое количество воздуха, обогащенного кислородом. Он подается в доменную печь снизу, через специальные отверстия, называемые фурменными. Вдувается он в печь под очень большим давлением. Это необходимо для того, чтобы воздух проник через пласт подаваемой сверху шихты. При этом предварительно поток подогревается до 600-800 градусов, иначе температура внутри печи снизится.

Полученный при расправлении шихты чугун стекает вниз и с периодичностью примерно один раз в 40 мин выпускается наружу через специальное отверстие, называемое леткой. Далее он переливается в чаши большой емкости и перевозится в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Все домны работают по принципу противотока. При этом в них поочередно происходят следующие химические процессы:

1. Восстановление железа. Происходит этот процесс последовательно и выглядит так: Fe₂O₃ — Fe₃O₄ — FeO — Fe. В качестве восстановителя в данном случае выступает оксид углерода (CO), образующийся при взаимодействии CO₂ с раскаленным коксом, а также твердый углерод последнего.
2. Науглероживание железа. 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. Стекая вниз, он омывает куски кокса и науглероживается еще больше. Помимо этого, в нем растворяются такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д.

Таким образом, становится понятно, доменный металл — это сплав железа с каким веществом. Получить чугун можно просто путем науглероживания расплава шихты.

Восстановление других элементов

Mn, 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. Восстановление его происходит по реакции SiO₂ + 2C = Si + 2CO — Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, переходит в чугун практически полностью. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. Позволяет получить чугун хорошего качества присутствующий в шихте кремнезем, а также высшие оксиды марганца. Mn в некоторых случаях добавляется в домну специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Вопрос о том, как получить чугун хорошего качества, сводится в том числе и к очистке его от этого нежелательного элемента. Сера является основной вредной примесью, значительно ухудшающей свойства конечного продукта выплавки. Основное ее количество содержится в коксе. Удаляют серу путем повышения содержания в шихте извести (CaO) и увеличения температуры в горне. Реакция в данном случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Для снижения процента содержания серы в чугуне могут использоваться и другие способы. К примеру, иногда уже выплавленный материал обрабатывается в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в результате реакции FeS + NaCO₃ = FeO + Na₂S + CO₂.

Образование шлака

Таким образом, мы с вами выяснили, как получают чугун. Однако при выплавке этого материала получается и еще один, широко используемый в народном хозяйстве продукт. При плавке 1 т чугуна выходит 0,6 т шлака. Дело в том, что даже в очищенной железной руде содержится довольно-таки большое количество глины. В состав кокса же входит зола. Для удаления этих ненужных элементов к шихте, помимо всего прочего, примешивают флюсы (карбонаты кальция и магния). В процессе плавки они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, в результате чего и образуется шлак. Представляет он собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность шлака меньше, чем жидкого чугуна. Поэтому в процессе плавки он располагается под ним. Удаляют его периодически через отдельную летку, называемую шлаковой. Используется этот побочный продукт чугунолитейного производства в основном для изготовления цемента и строительных блоков в качестве наполнителя.

Виды чугуна

Как видите, вопрос о том, как получить чугун в домне, относительно несложен. В конечном итоге, однако, из печи может выходить материал, немного отличающийся по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны в основном подразделяются на две разновидности: передельные (белые) и литейные (серые). Первый тип используется как сырье при производстве сталей. Литейный применяют для получения разного рода чугунных изделий, пользующихся на рынке неплохим спросом.

Белый чугун

Доля этой разновидности выплавляемого в доменных печах металла составляет 75-80%. Основными свойствами такого чугуна являются: большая твердость, хрупкость и износоустойчивость. Марганца и серы в нем содержится обычно больше, чем в литейном. Обработке белый чугун поддается с большим трудом. Использовать для изготовления из него каких-либо изделий обычные режущие инструменты современных станков нельзя. Зато сталь получают из чугуна этой разновидности довольно-таки просто. Подразделяется передельный доменный металл в зависимости от способа дальнейшей переплавки на три класса: мартеновский (М), бессемеровский (Б) и томасовский (Т).

Литейный чугун

Углерод в этом материале в основном содержится в виде свободного графита, имеющего в своем составе кремний. Поставляется он для изготовления чугунных изделий в виде чушек. Маркируется этот материал буквой "Л" и цифрами от "1" до "6", в зависимости от назначения. Существует также рафинированный магнием литейный чугун, помечаемый буквами "ЛР".

Ну что ж, надеемся, мы в достаточно полной мере ответили на вопрос о том, сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун. Это обычный углерод, замещающий в доменной печи входящий в состав руды кислород. Основные же свойства чугуна зависят от количества входящих в его состав примесей: марганца, фосфора, кремния и серы.

Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe₃C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной тетрагональной решеткой)
Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и другие). Как правило, чугун хрупок.

Выплавляется чугун, как правило, в доменных печах. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.

Содержание

Этимология [ править | править код ]

В русском языке слово чугун имеет тюркское происхождение, в тюркских же языках термин, вероятно, от кит. трад. 鑄 , пиньинь: zhù, палл.: чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. 工 , пиньинь: gōng, палл.: гун, буквально: «дело» [1] . Это связано с тем, что чугун представлял собой железный сплав низкой плавки. В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta).

История [ править | править код ]

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию [1] . В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты [2] . В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область) [3] , однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке [4] .

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол [5] . C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли [6] . В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные [7] . В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки [8] . Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году [9] , а в Китае они были известны со времени династии Мин [10] , которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы [11] (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи [12] .

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9 516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США. [13]

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США [14] . Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов [15] , а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. [16] Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона [17] . Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Чугун — это сплав железа с фосфором, кремнием и углеродом, который давно нашел применение в различных областях человеческой деятельности.

Популярность чугуна обусловлена его механической твердостью, высокой сопротивляемостью износу, простотой обработки и дешевизной производства. Основным способом получения чугунных изделий является литье с последующим фрезерованием для достижения точной формы и отличного качества поверхности. Обычно с помощью фрезерования обрабатываются такие детали, как отверстия, плоскости и места для крепления шпинделя.

К недостаткам готовых чугунных изделий можно отнести их хрупкость даже при небольших дефектах литья, допущенных в процессе изготовления.

В автомобильной промышленности используют чугун с вермикулярным графитом, из которого изготавливают коленчатые валы дизельных двигателей и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Графит значительно повышает прочность сплава, поэтому такой чугун востребован не только в машиностроении, но и в производстве труб для водоотведения и водоснабжения, а также труб для нефтегазовой промышленности. Для таких изделий характерны высокие эксплуатационные качества.

Всем известно сантехническое оборудование из чугуна — ванны, раковины, кухонные мойки, фитинги и трубы. Эти изделия надежны, неприхотливы в уходе и способны длительное время сохранять первоначальный внешний вид. Отопительные радиаторы из чугуна пользуются устойчивым спросом благодаря своей долговечности, хорошим теплоаккумулирующим свойствам и высокой теплоотдаче. Через час после отключения чугунные радиаторы продолжают излучать тепло на треть своей первоначальной мощности, в то время как радиаторы из стали остывают в два раза быстрее.

Способностью долго сохранять тепло обладает и чугунная посуда, поэтому она незаменима для приготовления «долгоиграющих блюд», требующих долгого томления. Казаны из чугуна идеально подходят для приготовления рагу, плова и каш, поскольку пища в них готовится по принципу русской печки. Благодаря этому продукты сохраняют свои полезные питательные свойства, а в готовой пище не образуются канцерогены.

В арсенале повара самого престижного ресторана обязательно будет посуда из чугуна: горшки, казаны, сковородки. Да и на кухне любой хозяйки можно найти подобные изделия, ведь даже самая дорогая нержавеющая посуда не обладает уникальными характеристиками чугунного сплава. Ученые доказали, что в процессе приготовления чугун обогащает пищу соединениями железа, полезными для здоровья человека.

Чугун — пористый металл, который обладает способностью впитывать жиры в процессе приготовления. Благодаря этому антипригарные свойства посуды со временем только улучшаются, что облегчает процесс жарки и тушения.

Чугунные сплавы широко используются в сфере художественного архитектурного литья, в производстве ажурных ограждений и решеток, винтовых лестниц и балконов, беседок, каминов и светильников, столбов, фонарей и скульптур.

Чугун
Фазы железоуглеродистых сплавов
Структуры железоуглеродистых сплавов