Как из чугуна сделать сталь?

Сталь из чугуна

Прежде чем перейти к описанию собственно сталеплавильного производства, посмотрим, какие бывают типы стали, поскольку от этого, в определённой степени, зависит способ производства того или иного вида стали.

По химическому составу различают углеродистые и леги­рованные стали. Основным элементом, определяющим свойства углеродистых сталей, является углерод. По его содержанию различают стали низкоуглеродистые с 0,25 % С и менее, среднеуглеродистые с 0,25-0,60 % С и высокоуглеродистые с 0,60-2,0 % С. Легированными сталями называют стали, в состав которых для получения требуемых свойств вводят один или несколько легирующих компонентов. К легирующим компонентам относят Cr, Ni, Mo, V, W, Со, Ti и др. Кроме того, к легирующим элементам относятся также Мn и Si, если они содержатся в большем количестве, чем в обыкно­венных сталях. Стали различают в зависимости от суммарного содержания легирующих компонентов: низколегированные (менее 2,5 %); среднелегированные (от 2,5 до 10 %); высоколегированные (более 10%).

Марки сталей имеют условные обозначения, выраженные буквами и цифрами, отображающими химический состав стали: хром – X, никель – Н, кобальт – К, кремний – С, вольф­рам – В, ванадий – Ф, молибден – М, марганец – Г, медь – Д, фосфор – П, титан – Т, алюминий – Ю, селен – Е, бор – Р, азот – А, ниобий – Б. Цифры, следующие за буквами, указывают среднее содержание данного элемента в процен­тах, если за буквой отсутствует цифра, значит, содержание данного элемента около 1%.

По назначению прокатываемые стали разделяют на конст­рукционные, инструментальные и специальные. К наиболее распространенным сталям относятся конструкционные углеро­дистые и легированные стали.

Качественная конструкционная углеродистая сталь обозначается так: 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65. Двузначные цифры означают среднее со­держание углерода в сотых долях процента с нормальным содержанием марганца, а стали марок 15Г, 20Г, З0Г, 40Г, 50Г, 60Г, 70Г – с повышенным содержанием марганца.

К прокатываемым углеродистым инструментальным каче­ственным сталям относят стали марок У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Буква У обозначает: сталь углеродистая инстру­ментальная, а цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

К конструкционным легированным сталям относят стали:

• хромистую (l5X, 20Х, З0Х, 35Х и др.), которую применя­ют для деталей машин в автотранспортной и автомобильной промышленности. Хромистая сталь с высоким содержанием углерода (0,9-1,1 %) и хрома (0,8-1,65 %) идёт для изго­товления колец, шариков, роликов, подшипников и имеет обозначения ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ;
• марганцовистую сталь (15Г, 20Г, З0Г и др.), имеющую высокую твёрдость, а также в некоторых случаях высокое сопротивление износу, что дает возможность использовать её в деталях, подвергающихся высокому износу;
• хромоникелевую сталь (ЗЗХС, 38ХС, 60С2ХА, 50ХСА, 70С2ХА), обладающую высокими твердостью и упругостью и применяемую в связи с этим для изготовления рессор и пру­жин;
• хромомарганцовистую сталь (20ХГ, 20ХГР, 40ХГР, З0ХГТ, 18ХГТ), применяемую частично в целях экономии никеля как заменитель хромоникелевой стали и используемую для изго­товления автомобильных деталей;
• хромованадиевую сталь (15ХФ, 50ХФА и др.), обладающую высокой прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью и применяемую для изготовления ответственных пружин, ва­лов, шестерен, муфт;
• хромомолибденовую сталь (например, З0ХМА), обладающую высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и теплоус­тойчивостью при температурах 400-600 °С. Сталь этих марок служит для изготовления роторов, осей, зубчатых колес;
• хромоникельвольфрамовую и хромоникельмолибденовую ста­ли (З0ХНВА, 40ХНМА, 18Х2Н4ВА и др.), предназначенные для нагруженных деталей машины, забчатых колес, коленчатых валов, высоконагруженных шатунов.

К прокатываемым легированным инструментальным сталям относят:

• сталь для режущего и мерительного инструмента (7ХФ-11ХФ, 13Х, ХВ4, 9X1, X, 12X1, ХГС, ХВГ и др.);
• сталь для штампового инструмента (Х6ВФ, Х12, Х12ВМ, ЗХ2ВФ, 7X3, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ и др.);
• сталь для ударного инструмента (4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др.).

Для режущего инструмента, который работает со снятием стружки при высоких скоростях резания, широко используют быстрорежущую сталь. Её отличает высокая красностойкость, т.е. способность сохранять высокую твёрдость, прочность и износостойкость при температуре до 600 °С. Эти стали обозначают буквой Р, следующая цифра означает среднее содержание W в процентах. Буквы Ф и К и цифры после них обозначают среднее содержание V и Со соответственно. Основными легирующими компонентами быстрорежущей стали Р9 и Р18 являются Cr, W, V. Высокая красностойкость быстрорежущих сталей обеспечивается за счёт добавки W.

Также существуют легированные стали с особыми свойствами:

• нержавеющие или коррозионностойкие стали (Х18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т), обладающие большой пластичностью, высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Эти стали содержат около 18 % Cr и около 9 % Ni. К нержа­веющим хромистым сталям также относятся стали с содержанием хрома 13-17-25 % – (08X13, 20X13, 40X13, 12X17, 14Х17Н2, 15Х25Г и др.);
• жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 °С и работающие в нагруженном состоянии, а также стали, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени. Химический состав этих сталей отличается большим разнообразием и имеет большое содержание Cr и Ni. Эти стали находят применение в котлостроении для изготовления паропроводов, паронагревателей, крепёжных и других деталей;
• электротехнические стали, предназначенные для изготовления трансформаторов, электрических машин, регуляторов и приборов. В зависимости от содержания кремния различают следующие группы электротехнической стали: слаболегированную (0,8-1,8%); среднелегированную (1,8-2,8%); повышеннолегированную (2,8-3,8 %), высоколегированную (3,8-4,8%).

Легирующие элементы вносятся в жидку сталь в составе ферросплавов – сплавов на основе железа с высоким (десятки процентов) содержанием вносимого элемента. Ферросплавы, за редким исключением, производят в электропечах специальной конструкции на ферросплавных заводах.

Чугун может как транспортироваться непосредственно в печь для выплавки стали, так и накапливаться в промежуточной ёмкости – миксере, где происходит его усреднение по химсоставу. Кроме того, чугун предварительно может подвергаться обработке с целью удаления вредных примесей – серы и фосфора, а также части кремния, что положительно влияет на технологию выплавки стали.

В случае, если сталь выплавляется в конвертере, в него сначала загружается лом, затем заливается чугун. После этого конвертер приводят в вертикальное положение, опускают фурму и начинают продувку кислородом. Также в конвертер добавляют (присаживают) шлакообразующие материалы, чаще всего – известь. Шлак предохраняет поверхность металла от окисления, снижает вероятность выплёскивания металла, а также очищает (рафинирует) металл от некоторых примесей. Кроме того, в шлак переходят образующиеся при продувке оксиды окисляющихся при этом элементов – кремния, марганца и железа.

По ходу продувки регулярно проводятся анализы металла и газа с целью определения момента окончания продувки. После окончания из повёрнутого (поваленного) конвертера через горловину скачивают шлак, а затем через выпускное отверстие сливают металл.

Помимо наиболее распространённого конвертера с верхней продувкой также существуют конвертеры с продувкой через дно, снизу, а также комбинированные конструкции.

Большая часть легирующих элементов в ходе продувки окисляется, кроме того, в металле остаётся растворённый кислород, поэтому после окончания продувки в металл добавляют ферросплавы. Крмний- и марганецсодержащие ферросплавы взаимодействуют с растворённым кислородом, связывая его в оксиды, поэтому их применяют для операции «раскисления» металла. Для более полного раскисления используют алюминиевую проволоку.

Часть ферросплавов подают в ковш, в который выпускается металл из конвертера, однако окончательная обработка и легирование стали производят в так называемых установках доводки металла (УДМ). Они вошли в металлургическую практику не так давно – в конце XX века, в связи с более жёсткими требованиями, предъявляемыми потребителями к свойствам стали. Эти требования связаны, прежде всего, с содержанием в стали таких элементов как азот и водород, ухудшающих механические свойства стали и приводящих к образованию дефектов.

Для удаления из металла растворённых газов используются два способа: продувка аргоном и вакуумирование. В первом случае металл снизу через пористую пробку продувается аргоном, в пузырьки которого переходят растворённые в металле газы. При вакуумировании металл постепенно просасывается через камеру (не входит в состав УДМ), из которой откачан воздух. Поскольку давление в камере чрезвычайно низко, создаётся градиент давлений, увлекающий газы из металла в камеру.

Для того, чтобы металл не остыл в процессе обработки, в установке доводки металла его подогревают электрической дугой. Также в УДМ добавляют в необходимом количестве ферросплавы для получения стали заданного состава.

В случае использования вместо конвертера электропечи технология плавки зависит от исходного сырья. Если используется чугун, то для его окисления в жидкий металл добавляется оксидный материал – агломерат или окатыши. При этом оксид железа, взаимодействую с углеродом чугуна, восстанавливается до железа, а сам углерод окисляется и удаляется в виде газа. Для нагрева используют тепло электрической дуги. Иногда для окисления углерода используют кислород, который вводят сбоку печи через фурму.

Если же печь переплавляет лом, без использования чугуна, то он расплавляется с помощью электрической дуги, а затем его состав корректируют присадкой ферросплавов. В обоих случаях также используют шлакообразующие материалы для наводки шлака. После выпуска металл также подвергается доводке на УДМ.

Ковш с выплавленным в конвертере или электропечи и доведённым на УДМ металлом направляется на установку непрерывной разливки (УНРС или МНЛЗ). Главная её часть – медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Жидкий металл, контактирующий со стенками кристаллизатора, быстро образует тонкую корочку, за которую он вытягивается из кристаллизатора. На выходе его захватывают тянущие ролики, которые медленно тянут слиток дальше.

Поскольку кристаллизатор соединён с промежуточным ковшом, в котором постоянно находится жидкий металл, при вытягивании слитка в кристаллизатор тут же поступает новая порция металла, то есть внутри кристаллизатора также всегда есть металл и процесс идёт непрерывно, то есть образуется как бы бесконечный слиток.

На выходе из кристаллизатора слиток имеет жидкую середину и постепенно охлаждается, застывая во всём объёме. Вместе с тем тянущие ролики изгибают его, меняя траекторию его движения от вертикальной к горизонтальной (менее распространены горизонтальные и вертикальные прямолинейные установки). При выходе на горизонтальную плоскость непрерывный слиток режется газовыми резаками на мерные длины – таким образом получаются слябы или квадратная заготовка, которая затем направляется на прокатку.

Схема производства от железорудного сырья до непрерывнолитой заготовки на металлургическом комбинате «Северсталь»

1 – производство агломерата, 2 – коксохимическое производство, 3 – доменное производство, 4 – конвертерный цех, 5 – электросталеплавильный цех

Непрерывная разливка также может осуществляться с помощью литейно-прокатных комплексов (ЛПК). Кристаллизатор ЛПК имеет подвижные стенки, образованные поверхностью вращающихся водоохлаждаемых роликов. Благодаря этому можно получить не сляб, а сразу лист, который, после обжатия в валках, является конечной продукцией. Такая схема исключает ряд операций нагрева и прокатки и существенно снижает затраты ресурсов на эти операции

ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА И СТАЛИ

Все металлы получают из руд, залегающих в земной коре. В чистом (самородном) виде добывают только платину и золото. Вначале требуется из руды удалить пустую породу, т. с. примеси различных минералов. Процесс обогащения руды возможен с помощью воды, так как руда тяжелее пустой породы и при измельчении в потоке воды легкая порода выносится, а руда остается. Применяют и другие способы обогащения руды: механические, электромагнитные, физико-химические. Для выделения металла из обогащенной руды используют технологические приемы, основанные на восстановлении металла. Хорошим восстановителем служит уголь, так как атомы углерода относительно легко отдают свои электроны.

ПОЛУЧЕНИЕ ЧУГУНА

Для выплавки железа из руды разработан доменный процесс с получением в нем чугуна, поступающего затем на выработку стали. Домна — высокая шахтная печь высотой до 30 м, шириной более 6 м. Стенки доменной печи выложены из огнеупорного кирпича, а снаружи кладка заключена в стальной кожух толщиной 20—40 мм. Загрузка рудой, коксом, флюсом послойная, причем обычно железорудный материал переводится в сыпучий агломерат. Схема работы доменной печи (рис. 19.1): в нижней части домны сгорает кокс: С + Ог = СОг. Углекислый газ, поднимаясь, соприкасается с раскаленным коксом и переходит в оксид углерода: СОг + С = 2СО. Еще выше в шахте оксид углерода взаимодействует с раскаленной рудой: СО + ЕегОз = 2Ь’еО + СОг и далее: FeO + СО = Fc + СО2. Чугун стекает в нижнюю часть домны. Из домны чугун выпускают через специальное отверстие — летку. Первые капли чугуна образуются при температуре 1250°С и стекают между кусками кокса в горне. Температура чугуна в домне равна 1480— 1520°С. Содержание углерода в чугуне составляет 4—4,5%.

Флюсы играют роль плавня, способствуя переводу пустой породы в шлак. Доменный шлак с содержанием в нем СаБЮз легче чугуна и собирается выше его с последующим выпуском наружу из другого отверстия домны. Он служит ценным сырьем для производства различных строительных материалов.

Выделяющиеся из домны газы, именуемые колошниковыми, содержат оксид углерода СО, поэтому как сгорающее топливо на-

40 Рис. 19.1. Схема работы доменной печи правляются для обогрева каналов кауперов домны и воздуха в них, который затем поступает в доменную печь и поддерживает в ней горение кокса. Каупер сложен из огнеупорного кирпича и заключен в железный кожух. Имеет нагреваемую насадку.

Запущенная в действие доменная печь функционирует непрерывно в течение нескольких лет. Руду, кокс и флюсы периодически добавляют через верхнее отверстие (колошник) печи. Также периодически производится выпуск из нее чугуна и шлака — через каждые 4—6 ч. При этом 99—99,8% железа переходит в чугун и только 0,2—1,0% — в шлак. Кроме углерода в составе чугуна присутствуют элементы кремния, марганца, серы, фосфора и пр. По назначению доменные чугуны разделяют на литейный и передельный. Литейный чугун переплавляют, и из него отливают чугунные изделия. Из передельного чугуна получают сталь. Он составляет около 90% всей выплавки чугуна. В нем содержится повышенное количество углерода, 0,3—1,2% Si, 0,2—1,0% Мп, 0,2—1,0% Р, 0,02—0,07% S.

Современная доменная печь может выплавлять 12000 т чугуна и выдает около 4000 т шлака, а также до 27000 т колошникового газа в сутки. Кроме процесса, осуществляемого в домне, существует вне- доменное производство железа, что относится к более прогрессивному способу. Он заключается в непосредственном получении железа из руды, минуя доменную печь. На производстве получают очень чистое металлическое железо без применения кокса. С этой целью при глубоком обогащении железных руд изготовляют концентраты с высоким содержанием железа (70—71,8%), почти полностью освобожденные от серы и фосфора. Затем действуют твердым или газообразным восстановителем, получая металлизованные окатыши. Если используют твердый восстановитель — углерод (в виде каменного угля), тогда — с обжигом в шахтной печи, трубчатой печи, реторте. Если используют газообразный восстановитель — природный газ, тогда — с конвертированием газа в невысоких шахтных печах или ретортах. Способы металлизации могут быть и иными — в кипящем слое на решетке. Вследствие относительно низкой температуры бездоменного процесса получаемое железо, обычно спеченное в куски, содержит меньше примесей. Чугуны обладают высокими литейными свойствами, малой пластичностью. Они разделяются на белый и серый.

Белый чугун (передельный) содержит весь углерод в химически связанном состоянии в виде карбида железа, именуемого цементитом ЕезС. При нормальной температуре его структура слагается из двух фаз: феррита и цементита. Белым этот чугун называется потому, что в изломе он имеет матово-белый цвет. Белый чугун имеет высокую твердость и большую хрупкость, вследствие чего его невозможно обрабатывать режущим инструментом. Его применяют, главным образом, для выплавки стали, а также для получения ковкого чугуна.

Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита (100% С); они называются серыми потому, что вследствие наличия в них графита имеют в изломе серый цвет. Содержание С — до 3,8%.

По форме графитовых включений серые чугуны разделяют на обычный серый с пластинчатым графитом, вермикулярный серый, высокопрочный и ковкий. По структуре металлической основы их разделяют на ферритный, ферритно-перлитный и перлитный.

Обычный серый чугун получают медленным охлаждением жидкого расплава или аустенита высокоуглсродистых сплавов. В нем частицы графита имеют пластинчатую форму. В зависимости от механических свойств и назначения серый чугун с пластинчатым графитом разделяют на марки: СЧ-25, СЧ-30, СЧ-35, СЧ-40, СЧ-45 (цифры показывают минимальный предел прочности при растяжении, кге/мм 2 ).

Вермикулярный серый чугун получают путем специальной плавки или обработки с изменением формы графита на волокнистую, червеобразную (вермикулярную), вследствие чего этот чугун обладает лучшими свойствами по сравнению с обычным серым чугуном.

Высокопрочный чугун содержит шаровидный графит (рис.

19.2, а), получаемый при выплавке с присадкой небольшого количества магния или церия. Благодаря шаровидной форме графита прочность при растяжении и изгибе высокопрочного чугуна значительно выше, чем обычного серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высокопрочный чугун разделяют на марки: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ50-7, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2, ВЧ120-2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, первые числа за ними — минимальный предел прочности при растяжении (в кге/мм 2 ), а последующие числа — минимальное относительное удлинение (в %).

Рис. 19.2. Микроструктура высокопрочного ферритного чугуна с шаровидным графитом (а) (х250) и ковкого ферритного чугуна с хлопьевидным графитом (б)

Ковкий чугун содержит хлопьевидный графит (рис. 19.2, б). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига (томления), при котором происходит распад цементита. Хлопьевидный графит имеет почти равноосную компактную форму. Этот чугун разделяют на марки: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ63-2. В обозначение марки входят буквы КЧ (ковкий чугун), затем число — минимально допустимый предел прочности при растяжении ( кге/мм 2 ), второе число — относительное удлинение ( %).

Свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы, вида и количества графитных включений.

Графит имеет низкие показатели механических свойств, и включения его можно условно рассматривать как пустоты и трещины. Чем больше графита, крупнее графитные включения, тем ниже механические свойства чугуна и особенно прочность при растяжении и изгибе. Прочность при сжатии и твердость чугуна зависят в основном от металлической основы и мало отличаются от сталей.

В некоторых случаях графитные включения полезны благодаря смазывающему действию графита. Такой чугун легче обрабатывается резанием, чем сталь, стружка становится ломкой, когда резец доходит до графитных включений.

Подобно другим железоуглсродным сплавам, чугуны содержат постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора в больших количествах, чем в сталях. Эти примеси оказывают значительное влияние на графитизацию, структуру и свойства чугунов.

В чугуны часто вводят также медь, алюминий, титан, хром, никель. Эти элементы оказывают влияние на процесс графитизации. Подобно сталям такие чугуны называют легированными.

Серые чугуны применяют при изготовлении опорных элементов для ферм, железобетонных балок и колонн, тюбингов в метро, при производстве многих других строительных конструкций, а также находят широкое применение в деталях машин, не подвергающихся большим растягивающим напряжениям и ударным нагрузкам.

Особенности чугунного литья

Сплав железа, в котором содержится более 3% углерода, называется чугуном. Металл обладает высокой жидкотекучестью и твердостью, благодаря чему заполняет форму с конфигурацией любой сложности. Чугунное литье способно длительное время находиться на открытом воздухе, не подвергаясь коррозии и разрушению. Технология производства чугуна была освоена еще в 17 веке. Из него изготавливали перила мостов, скульптуры, решетки для каминов и колосники в печи. Простая технология формовки и выплавки позволяет лить металл в промышленных масштабах и домашних условиях.

Чугунное литье в промышленных масштабах

Общие свойства

Чугун производят в доменных печах. Температура нагрева от горения газа и угольной пыли повышается. В результате получают 2 типа высокоуглеродистых сплавов:

• передельный;
• литейный.

Передельный сплав, в основном белый, очень твердый. Он содержит углерод в связанной форме, на изломе зерно белого цвета. Очень твердый, режущим инструментом не обрабатывается. Используется как основное сырье для получения сталей различных марок.

Остальные виды чугуна: серый, ковкий, высокопрочный. Они имеют высокую жидкотекучесть, используются для изготовления деталей методом литья в формы с последующей обработкой резанием. Твердость значительно выше, чем у незакаленных сталей. Высокое сопротивление стиранию. К недостаткам относится хрупкость, низкий предел сопротивления на изгиб и кручение.

Ковким назвали чугун за относительно высокую пластичность и устойчивость к динамическим нагрузкам. Он прочнее серого, благодаря компактным хлопьевидным включениям графита, расположенным между зерен. У высокопрочного сплава графит имеет шарообразную форму. Остальные виды чугуна содержат свободный углерод в виде пластин графита по границам зерен и относительно легко ломаются. На самом деле никакой вид чугуна ковать нельзя.

При обработке чугуна резанием на малой подаче и скорости получается поверхность с высокой чистотой. Размеры с точностью до 0,02 мм.

Производство

При запуске доменной печи в нее послойно засыпают кокс и агломерат — обогащенная железная руда с флюсом. Снизу через форсунки вдувается кислород, подогретый газ. В процессе сгорания угля происходит химическое превращение его в двуокись углерода CO₂, затем в окись — CO, которая окисляет железо, выделяя его из руды и делая твердым.

Доменный процесс непрерывный. Руда и флюс добавляются регулярно. Когда скапливается определенное количество чугуна, его выпускают в ковш, затем разливают по формам. Жидкий шлак предотвращает окисление расплавленного металла. Его сливают через леток, расположенный выше, и вывозят за пределы цеха. В дальнейшем используют как сырье для производства цемента и в строительстве.

Изделия из чугуна

Преимущества чугунного литья

Изготовление деталей из чугуна стоит значительно дешевле, чем сделать аналогичные изделия из стали или бронзы. Повышенное содержание фосфора делает чугун жидкотекучим. Он легко заполняет все пустоты в форме, включая мелкие элементы. По красоте и разнообразию чугунные решетки выглядят лучше кованых. Они устойчивы к влаге, не требуют регулярного ухода.

Литье из чугуна имеет самые разные формы, может длительное время находится в воде и земле, невосприимчивы к низким температурам. Изготовление труб и фитингов, муфт, вентилей имеет простую технологию,по сравнению с другими материалами.

Усадка чугуна во время остывания практически отсутствует. Это позволяет делать отливки с минимальными отходами: малыми прибылями, без накопителей. Обработка деталей сводится к проточке посадочных мест.

Чугунные втулки ставятся в подшипники скольжения на низкооборотистые валы. Имея высокую износостойкость стиранием, они служат дольше шарикоподшипников и стоят в несколько раз дешевле.

Технология литья

Литье чугуна производится в строгой последовательности:

• загрузка шихты;
• непрерывный процесс плавления в доменной печи;
• заливка готового чугуна в ковш;
• разливка по подготовленным формам;
• охлаждение;
• отжиг;
• очистка от окалины.

При изготовлении труб и полых деталей применяют центробежное литье. При этом способе в быстро вращающуюся форму заливают чугун. Под действием центробежной силы жидкий металл растекается по поверхности на заданную толщину.

Остальные детали заливают по форме, которая заранее изготавливается, в землю.

Чугунный утюг (Фото: pixabay.com)

Процесс литья

При накоплении в нижней части печи достаточного количества жидкого металла пробивают леток, и раскаленная масса льется в ковш, из которого и производится непосредственно литье чугуна в формы. Инструмент для разливки — ковш, имеет внизу отверстие с пробкой. Через него производится заливка мелких деталей. Для габаритных тяжеловесных отливок, когда надо быстро заполнить форму, могут использовать носик в верхней части ковша, наклонив его с помощью крана.

Подготовка моделей

Модели изготавливаются из различных материалов. Для изготовления малых партий и единичных заготовок крупногабаритных деталей используют дерево. Модель повторяет наружную форму детали с припусками на усадку. В места расположения отверстий вставляют стержни из формовочной смеси.

В качестве материала для изготовления моделей используют:

• воск;
• гипс;
• пластмассу;
• пенопласт.

Для изготовления больших партий отливок, начиная с нескольких сотен, со сложной конфигурацией используют изготовленные на станках ЧПУ и другом оборудовании модели из бронзы, латуни, алюминиевых сплавов. В результате получается отливка с большой точностью наружных размеров, не нуждающаяся в обработке.

Формовка

Модель вставляют в металлическую форму, и оставшееся пространство заполняют песчано-глиняной смесью. Для получения плотной оболочки смесь уплотняют на вибростендах или утрамбовывают ручным пневмоинструментом.

Большие формы заполняют в несколько этапов, подсыпая смесь. Затем модель вынимают. Поверхность формы обрабатывают антипригарным составом и сушат.

Металлическая форма

Заливка металла

Формы выставляют в один ряд на специально подготовленное место. Над ними устанавливаются литники для заливки. Ковш заводится над формами и быстро заполняет их. Если чугун льется долго, отливки будут неравномерно охлаждаться, могут образоваться расслоения металла внутри.

Завершающие операции

После заливки формы остаются в яме для равномерного остывания на 12–60 часов. Продолжительность процесса зависит от наибольшего сечения отливки.

Остывшую форму достают, освобождают деталь от формовочной смеси и вместе накопителями и прибылями помещают в термическую печь на отжиг. Металл нагревают до 800⁰–900⁰, в зависимости от массы отливки и марки чугуна. Затем выдерживают при заданной температуре несколько часов. Чугун вместе с печью медленно остывает до 300⁰. Затем отливку достают, и охлаждение продолжается на воздухе.

После отжига структура чугуна выравнивается, снимаются напряжения. Теперь обрезаются технологические надставки и другие элементы. Производится зачистка поверхности от остатков формовочной смеси, окалины.

Способы литья в домашних условиях

Литье чугуна в домашних условиях возможно. В середине 20 века в Китае почти на каждом огороде стояли маленькие печи и каждый производил чугунные детали. Ванну или другую емкость с отверстием внизу необходимо обложить огнеупорным кирпичом, заполнить ее чугунным ломом, добавить кокс и раскислитель. Нагревать можно газовой горелкой. Важно помнить — чем меньше объем, тем хуже качество металла.

Как получают чугун? Сплав железа с каким веществом позволяет получить 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.

Чугун — состав, свойства и характеристика

Под понятием «чугун» может подразумеваться как конструкционный материал на основе железа, так и металлический сосуд, округлый горшок для приготовления пищи. Последний попадается редко. Современная посуда теснит.

Совсем устарело слово «чугунка». Так в XIX – начале XX века называли железную дорогу.

Что такое чугун

Это сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14%. В идеальном случае. На деле помимо указанных всегда есть примеси и легирующие элементы. Так что разграничение «плавает».

В зависимости от содержания углерода относительно эвтектики выделяют разновидности металла. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.

Для чугуна содержание углерода ориентировочно составляет 4,3%. Почему «ориентировочно» – уже говорилось. Потому принято подразделять чугун на:

доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;

эвтектический — 4,3% углерода;

заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.

Виды чугуна

В общепринятой классификации разделяют по форме содержащегося углерода.

Белый

Называется так из-за характерного окраса скола. Углерод C содержится в виде цементита (формула Fe₃C), образующегося при остывании расплава. Твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектических сплавах – в составе перлита и ледебурита. В эвтектических – в ледебурите. В заэвтектических – первичный цементит и ледебурит.

В исходном виде такой чугун практически не используется. Не поддается обработке инструментом из «быстрорежущей» стали. Только с насадками из карбидов (ВК), да и то с трудом.

Применяется в качестве сырья для получения ковкого.

Серый

Также именуется по оттенку на сколе. Содержит фракции графита различной формы. Осаждению углерода способствует добавка кремния.

Свойства и структура сильно зависят от условий остывания после кристаллизации.

Быстрое охлаждение даст преобладание перлита. Сплава феррита и карбида. Своеобразная «закалка» повысит прочность и твердость. И хрупкость, что не всегда приемлемо.

Щадящее остывание определяет рост содержания феррита. Сплава железа с оксидами, в основном с Fe₂O₃. Улучшится пластичность. Поэтому режимы подбирают исходя из требуемых параметров.

Серый чугун удобен для литых конструкций. Отличается невысокой температурой отвердения, хорошей жидкотекучестью. Не склонен к образованию раковин.

При всем этом, углеродные вкрапления обуславливают низкую трещиностойкость. Материал уверенно воспринимает сжимающие усилия, но совершенно непригоден при растяжении/изгибе.

В маркировке указываются символы СЧ и предельная прочность в кг/мм 2 : СЧ25. Наиболее распространены чугуны с содержанием C ниже 3,7%.

Ковкий

Для изготовления белый чугун нагревают до нужной температуры, выдерживают достаточное время и медленно остужают («отжиг»). Процесс провоцирует процесс распада Fe₃C с выделением графита и появление феррита.

По форме включения углерода не похожи на аналогичные в сером чугуне. Этим объясняется появление некоторой стойкости к разрыву и ударной вязкости.

Маркируется «КЧ» с добавлением допустимой прочности на растяжение в МПа х 10 -1 и максимального относительного удлинения. Пример: КЧ 35-11.

Высокопрочный

Вид серого чугуна, только графитовые образования по форме напоминают шарики. Округлость включений делает кристаллическую решетку не склонной к образованию трещин.

В результате ценные изначально свойства чугунов (стойкость к сжатию, удобство литья и т. д.) дополняются сравнимым со сталями пределом текучести при растяжении, появляется трещиностойкость, пластичность.

Маркируются аналогично ковким, но с обозначением «ВЧ».

Передельный

Используется как сырье для выплавки стали. Часто даже не покидает предприятия, где сделан.

Специальные

Выпуск таких марок невелик, до 2% от общего объема. Могут содержать значительное количество легирующих элементов. Предназначены для ограниченных целей и специфических условий. Распространены коррозионно и химически стойкие ферросплавы.

Одна из разновидностей – антифрикционный чугун. Используется для изготовления трущихся деталей. Легируется в первую очередь хромом. Также добавляются никель, титан, медь и прочие.

Отличается высокой твердостью (до HB 300) и низким коэффициентом трения (до 0,8 при отсутствии смазывающих эмульсий).

Базовые материалы: серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркировки соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ. Цифровые составляющие описаны выше.

Достоинства и недостатки материала

Стоит обсуждать в сравнении со сталью, хотя низкокачественная углеродистая сталь – тот же чугун по сути.

По некоторым параметрам (плотность, свойство магнититься, типичные химические реакции) ферросплавы практически идентичны. Существенны отличия в технологии использования.

Преимущества:

Умеренная стоимость. Насыщение углеродом – часть процесса выплавки из руды. Снижение его содержания неизбежно удорожает металл.

Превосходные литейные качества. Расплав текуч. С низкой усадкой при кристаллизации, что минимизирует дефекты. Относительно низкая температура плавления.

Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.

Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.

Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.

Ставшие ненужными элементы легко утилизировать. Любой пункт приема с руками оторвет.

Из-за высокого содержания углерода хрупок. Мало пригоден для обработки давлением. Из отдельных марок получают кованые изделия отменного качества. Но это скорее работа штучная и в индустриальных масштабах нерентабельная.

Сварка допускается только в крайних случаях. Технология довольно сложна, велик риск возникновения дефектов.

Изделия всегда массивны. Не получится тонкостенная конструкция, так как не выдержит собственного веса и изготовить не удастся.

Легко окисляется во влажной среде. Насквозь не проржавеет из-за неизбежной монументальности, но вид приобретет неопрятный. Детали, расположенные на открытом воздухе, нуждаются в коррозионно стойком покрытии.

Производство чугуна

Зачатки черной металлургии человек освоили уже во II-ом тысячелетии до н. э. Для получения стали. Но доменные печи появились в Европе только в XIV — XV веках. Чугун был получен как побочный ненужный продукт.

Оценили, когда обратили внимание на выдающиеся литейные качества. Удобен для изготовления пушек-ядер, да и сталь из него получать удобнее.

До России технология осмысленно дошла в XVII веке. Случилось это при Петре I, когда искали материал для оружия.

В качестве сырья обычно используются железняки. Наибольший выход получается из магнитного и красного, обильно содержащие Fe.

Для поддержания температуры используется кокс. Воздух для горения подается принудительно. Флюс (известняк) предназначен для снабжения углекислым газом. Основная реакция:

Восстановленное Fe опускается в горн, где насыщается углеродом. Цикл работы печи – непрерывный.

Получение стали

Порядка 85% чугуна уходит на дальнейшее изготовление стали. Для выплавки используется мартеновская печь.

В процессе плавления загруженного сырья образуется значительная масса оксида FeO. По мере разогрева происходит реакция:

Лишний углерод удаляется.

Также используются электродуговые и индукционные печи.

Области применения

В связи с современной тенденцией максимального облегчения оборудования, чугун используют все меньше.

Но есть области, где он пока незаменим и рентабелен:

В машиностроении применяется для крупных корпусных деталей с незначительными нагрузками на растяжение. Станины для станкового оборудования, блоки цилиндров для двигателей внутреннего сгорания. Маховики, шкивы, шестерни, гидроцилиндры, корпуса редукторов, электродвигателей, поршни.

Сантехническая фурнитура, канализационные трубы.

Декоративные элементы: ограды, решетки, ворота.

Печи для домов, бань.