Надо Знать

добавить знаний



Чугун



План:


Введение

Производство чугуна


Чугун - сплав железа с углеродом, который может содержать от 2,14 до 4,3% углерода и более.

Чистое железо имеет ограниченное применение. В технике обычно используют сплавы железа с углеродом, которые разделяют на стали и чугуна. Стали содержат до 2% углерода, а чугуны - от 2,14 до 4% углерода и даже больше.

Крышка канализационного люка, изготовленная из чугуна

1. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в специальных вертикальных печах, которые называют доменными печами, или домнами. Доменные печи - это сложные сооружения из огнеупорного материала с внешней стальной обшивкой. Высота современных доменных печей достигает 30 м, а внутренний диаметр - до 6 м.

1.1. История

Первое упоминание о чугун встречается в китайском летописи "Цзочжуань" в записи, что касается 513 г. до Р.Х.

Первый европейский чугун выплавляли на территории Священной Римской империи в конце ХIV в., почти одновременно в австрийской Штирии и Северной Италии

С 1500 г. до 1700 г. мировая выплавка чугуна возросла примерно с 60 тыс. т. до 104 тыс. т. (в 1,7 раз), а всего XVII в. с 104 тыс. т. до 278 тыс. т. (1790), т.е. в 2,67 раз. А за последующие 80 лет с 1790 по 1870 выплавка чугуна составила 12 млн. т., что в 43 раза больше чем в 1790.

На долю Англии пришлось в 60 годах XIX ст. более 50% всего выплавляемого чугуна. Но во второй половине XIX в. Англию по темпам развития черной металлургии обогнали США и Германия.


1.2. Современное производство

Суточная производительность мощной домны составляет 2000 т чугуна и даже больше. Доменная печь после ее пуска работает непрерывно 5-6 лет, а иногда даже до 10 лет. Затем ее ремонтируют и снова пускают в работу. Операции по подготовке шихты, загрузке его в домну, выпуска чугуна и шлака механизированы. Шихту загружают через верхнюю часть домны (колошник).

Сначала засыпают слой кокса, затем слой смеси руды с коксом и флюсами, затем опять слой кокса и т. д. Кокс служит источником тепла для поддержания нужной температуры в домне и для получения восстановителя - монооксида углерода CO, а флюсы (чаще CaCO 3) - для преобразования пустой породы (SiO 2, глины и т.д.) в легкоплавкие соединения - шлак.

Горение кокса поддерживается вдуванием в нижнюю часть домны (горно) предварительно нагретого до 800-1000 С воздух. Высокая температура (до 1500 C и даже больше) достигается в нижней части домны в зоне горения кокса, а самая низкая (до 200 C) - в самой части.

Схема доменного процесса. Приблизительное распределение температур по высоте домны.

В результате сгорания кокса в нижней части домны образуется диоксид углерода CO 2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слой раскаленного кокса, превращается в монооксид углерода CO:

  • C + O 2 = СО 2
  • CO 2 + C = 2CO

Монооксид углерода как сильный восстановитель, проходя через слои шихты, восстанавливает оксиды железа (железную руду). Причем степень восстановления зависит от температуры. При температуре 200-500 С Fe 2 O 3 восстанавливается до Fe 3 O 4:

  • 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2

при 600 C Fe 3 O 4 восстанавливается до FeO:

  • Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2

Выше 700 C FeO восстанавливается до свободного железа, которое образуется в твердом состоянии (так называемое губчатое железо):

  • FeO + CO = Fe + CO 2

При высоких температурах в процессах восстановления оксидов железа участвует, кроме окиси углерода, и свободный углерод:

  • FeO + C = Fe + CO ↑

Восстановление железа из руды заканчивается при температуре 1000-1100 C. При этой температуре частично восстанавливаются и другие элементы из соединений, входящих в состав руды качестве примеси - марганец, кремний, фосфор и др.. Например:

  • SiO 2 + 2C = Si + 2CO ↑
  • Ca 3 (PO 4) 2 + 5C = 2Р + 3CaO + 5СО ↑

Создаваемое губчатое железо частично реагирует с раскаленным углеродом и образует химическое соединение - карбид железа Fe 3 C:

  • 3Fe + C = Fe 3 C

Это соединение не подлежит правилам обычной валентности. Карбид железа Fe 3 C называют цементитом. Цементит в железе образует раствор, который называют чугуном.

Температура плавления чугуна ниже, чем чистого железа, и зависит от содержания углерода. Температура плавления железа 1538 C, а чугун с содержанием углерода 4,3% плавится при 1130 C. Это самая низкая температура плавления чугуна. Доменный чугун содержит обычно 3-4% углерода и плавится при 1200-1300 С.

В расплавленном чугуне легко растворяются кремний, марганец, фосфор, сера и другие примеси, которые и остаются в чугуне. Расплавленный чугун стекает в самую низкую часть домны (горно), откуда его периодически выпускают. Пустая порода, содержащейся в железной руде, удаляется в виде шлака. Шлак образуется за такими химическими уравнениями. Известняк, который прилагается к шихте как флюс, при 800-1000 С разлагается на оксид кальция и диоксид углерода. Создаваемый CaO как оксид с основными свойствами взаимодействует с силициевим ангидридом SiO 2 и амфотерными оксидом алюминия Al 2 O 3 (содержащийся в глине) с образованием относительно легкоплавких силиката кальция и алюмината кальция:

  • CaCO 3 = CaO + CO 2
  • CaO + SiO 2 = CaSiO 3
  • CaO + Al 2 O 3 = Ca (AlO 2) 2

Шлак плавится около 1100 C и стекает в горн. Поскольку шлак легче чугуна, он собирается над расплавленным чугуном и защищает его от окисления. Расплавленный шлак, как чугун, периодически выпускают из домны. Доменный шлак используют для производства строительных материалов.


1.3. Доменный газ

Доменный газ, кроме азота N 2, диоксида углерода CO 2 и других газов, содержит около 30 объемных процентов монооксида углерода CO. Его сжигают в кауперах, в которых нагревается воздух, вдуваемого в домну. С целью повышения производительности доменных печей и снижение себестоимости получаемого чугуна на многих металлургических заводах применяют обогащенный кислородом воздух и дешевый природный газ. Замена обычного воздуха обогащенным до 30 объемных процентов кислорода воздухом, а также вдувание в домну газа повышает производительность домны на 10 и более процентов и снижает расход кокса до 20%. Природный газ, состоящий главным образом из метана, сгорает в домне с образованием диоксида углерода CO 2 и водяного пара H 2 O. Последние, реагируя с раскаленным коксом, превращаются в монооксид углерода CO и водород:

CH_ {4} + 2O_ {2} = CO_ {2} + 2H_ {2} O \!
CO_ {2} + C = 2CO \!
H_ {2} O + C = CO + H_ {2} \!

Вследствие этого доменные газы обогащаются восстановителями - монооксид углерода и водорода, а это ускоряет процессы восстановления руды и уменьшает расход кокса.


2. Виды чугунов

2.1. Общие положения

Чугуны, которые выплавляют в доменных печах делят на:

перерабатывающие, которые используются для производства стали в кислородных конверторах, электропечах, мартеновских печах;

литейные, используемые для получения отливок в литейных цехах машиностроительных или литейных заводов. Доля этих чугунов уменьшается и не превышает 10%.

Широкое применение чугунов в машиностроении объясняется сравнительно небольшой стоимостью и хорошими технологическими свойствами чугунов - высокой ридкотекучистю и незначительным (~ 1%) усадкой при кристаллизации и последующего охлаждения, способностью легко обрабатываться резанием, возможностью изменения свойств термообработкой и легированием. Лучшие литейные свойства имеют эвтектические чугуна, поскольку в них меньше температурный интервал кристаллизации.

В зависимости от химического состава и условий кристаллизации Карбон в чугунах может кристаллизоваться как в свободном состоянии в виде графита, так и в виде соединения с Ферум - цементита Fe 3 C. В зависимости от состояния углерода в чугунах, их классифицируют на белые и машиностроительные чугуны.


2.2. Белый чугун

В белых чугунах весь карбон находится в цементите. Благодаря цементита такие чугуны имеют белый блестящий излом, от цвета которого и происходит их название. Структуру белых чугунов в равновесном состоянии творят две фазы - феррит и цементит. За счет твердого цементита, количество которого увеличивается с увеличением содержания углерода, белые чугуны имеют высокую твердость (450 ... 550 НВ), очень хрупкие, практически не подлежат резке лезвийным инструментом. Поэтому в машиностроении белые чугуны имеют ограниченное применение. Их используют только как износостойкий материал для отливки деталей шламовых насосов, гидроциклонов, доменных печей, шаровых мельниц для размола руд. С отливок белого чугуна получают ковки чугуна.


2.3. Машиностроительные чугуны

Машиностроительные чугуна отливают в таких условиях, обеспечивающих полную или частичную графитизацию - выделение графита. Поэтому свойства этих чугунов определяются не только структурой металлической основы (феррит, перлит), но и формой, размерами, количеством и характером расположения в основе графитовых выделений. Отливки из этих чугунов хорошо обрабатываются резанием и не подлежат обработке давлением.

2.3.1. Чугуны с пластинчатым графитом

Отливки из чугунов с пластинчатым графитом получают непосредственно заливкой расплавленного металла в литейные формы. Графит при кристаллизации формируется в виде изогнутых лепестков, пластинок. Такой графит называют пластинчатым. Наличие в структуре свободного графита приводит матовый серый цвет излома, от которого происходит другое название этих чугунов - серые чугуны.

Пластинчатый графит нарушает целостность металлической основы, создает на краях лепестков зоны сильной концентрации напряжений, и поэтому серые чугуны характеризуются низкой прочностью на растяжение, изгиб, скручивание и очень низкой пластичностью. Максимальная предел прочности на растяжение этих чугунов не превышает 450 МПа. По ГОСТ 1412-85 марки чугунов с пластинчатым графитом обозначаются буквами СЧ (С - серый, Ч - чугун) и числами, которые соответствуют минимально допустимым значением предела прочности на растяжение σ в в МПа 10-1 (например СЧ 35).

Их рекомендуется использовать для изделий, подлежащих преимущественно сжатию. Но благодаря пластинчатом графита в серых чугунах удачно сочетаются хорошие антифрикционные свойства, зносотривкисть, способность гасить вибрации и малая чувствительность к концентраторам напряжений. Из них отливают различные детали для машин, маховые колеса, шкивы, плиты, станины и столы станков, корпуса электродвигателей и т.д..


2.3.2. Чугуны с шаровидным графитом

Чугуны с шаровидным графитом по сравнению с другими чугунами имеют высшее пластичность, ударную вязкость и одновременно прочность (за что их называют высокопрочными), какие обусловлено шаровидной формой графита, которая обеспечивается сфероидизуванням. Сфероидизування заключается во введении в расплав малых приложений (0,03 ... 0,06%) сфероидизувальних металлов - магния, церия, кальция, под действием которых графит кристаллизуется в форме шариков, которые минимально ослабляют металлическую основу чугуна.

По ГОСТ 3925-99 условное обозначение марки включает буквы ВЧ (В - высокопрочный, Ч - чугун), цифровое обозначение минимального допустимого значения предела прочности на растяжение σ в в МПа и через дефис - относительное удлинение δ в процентах. Максимальную прочность имеет чугун марки ВЧ 1000-2.

Из них изготавливают распределительные и коленчатые валы, блок-картеры, головки цилиндров, шатуны, поршни, поршневые кольца в автомобилестроении; суппорты, шпиндели, зубчатые колеса в станкостроении; плиты гидравлических прессов, направляющие и плунжера литейных машин, напорных труб для воды, нефти, агрессивных жидкостных и газовых сред.


2.3.3. Чугуны с вермикулярным графитом

Чугуны с вермикулярным графитом также получают модифицированием магнием, только в меньшем количестве, что приводит образования вермикулярным графитом в форме графитовых лепестков с закругленными краями, меньших размеров и грубее по сравнению с пластинчатым графитом.Маркы этих чугунов обозначают подобно и высокопрочных, например ЧВГ 400-4 .

При одинаковой структуры металлической основы механические свойства чугунов с вермикулярным графитом промежуточные между свойствами серых с пластинчатым и высокопрочных с шаровидным графитом. Они преобладают серые чугуны по пластичности, ударной вязкостью, коррозионной прочностью, герметичностью, а высокопрочные - за способностью гасить вибрации, обрабатываться резанием, меньшей стоимости (дешевле на 20 ... 30%).


2.3.4. Ковкие чугуны

Ковкие чугуны получают путем длительного графитизувального отжига отливок из белого малоуглеродистой (2,4 ... 2,9% С) чугуна. Отжиг при высокой температуре вызывает разложение метастабильного цементита с образованием графита компактной формы с лохматыми краями, так называемого графита отжига. По влиянию на механические свойства чугуна такой графит занимает промежуточное положение между пластинчатым и шаровидным графитом. Структура металлической основы ковкого чугуна - от ферритной в перлитной - зависит от химического состава и режима термической обработки отливок из белого чугуна.

По ГОСТ 1215-79 марки ковких чугунов обозначают буквами КЧ (К - ковкий, Ч - чугун), после которых указываются минимально допустимые значения предела прочности на растяжение в МПа 10-1 и через дефис - относительного удлинения в процентах (например, КЧ 30 -6).

Существенным недостатком изделий из ковкого чугуна является высокая стоимость вследствие длительного высокотемпературного отжига и ограничения размеров.


2.4. Экономика чугуна

Экспорт чугуна в Украине в 2005 составил 879.07 тыс. тонн в 216.07 млн. долларов.

Источники

  • Ф. А. Деркач "Химия" Л. 1968
  • Зворыкин А.А. История техники. 1962 -772 с.
  • В.Попович, А.Кондир, Е. Плешаков и др.. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Практикум: Учеб. пособие. - М.: Мир, 2009. - 552 с.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам