Температура плавления чугуна, плавки стали

Чугун – сплав
железа и углерода с сопутствующими
элементами (содержание углерода более
2,14 %).

Для выплавки чугуна
в доменных печах используют железные
руды, топливо, флюсы.

К железным рудам
относятся:

– магнитный
железняк ()
с содержанием железа 55…60 %, месторождения
– Соколовское, Курская магнитная
аномалия (КМА);

– красный железняк
()
с содержанием железа 55…60 % , месторождения
– Кривой Рог, КМА;

– бурый железняк
(гидраты оксидов железа 2Fe2O3* 3H2O и Fe2O3* H2O) c
содержанием железа 37…55 % – Керчь.

Марганцевые руды
применяются для выплавки сплава железа
с марганцем – ферромарганца ( 10…82%
),
а также передельных чугунов, содержащих
до 1% марганца. Mарганец в рудах содержится
в виде окислов и карбонатов:и
др..

Хромовые руды
применяются для производства феррохрома,
металлического хрома и огнеупорных
материалов – хромомагнезитов.

Топливомдля
доменной плавки служит кокс, возможна
частичная замена газом, мазутом.

Флюсомявляется
известнякили
доломитизированный известняк, содержащийи,
так как в шлак должны входить основные
оксиды (),
которые необходимы для удаления серы
из металла.

Подготовка руд
к доменной плавке
осуществляется для
повышения производительности доменной
печи, снижения расхода кокса и улучшения
качества чугуна.

Метод подготовки
зависит от качества руды.

Дробление и
сортировка
руд по крупности служат
для получения кусков оптимальной
величины, осуществляются с помощью
дробилок и классификаторов.

Обогащениеруды основано на различии физических
свойств минералов, входящих в ее состав:

а) промывка –
отделение плотных составляющих от
пустой рыхлой породы;

б) гравитация
(отсадка) – отделение руды от пустой
породы при пропускании струи воды через
дно вибрирующего сита: пустая порода
вытесняется в верхний слой и уносится
водой, а рудные минералы опускаются;

в) магнитная
сепарация – измельчённую руду подвергают
действию магнита, притягивающего
железосодержащие минералы и отделяющего
их от пустой породы.

Окусковываниепроизводят для переработки концентратов
в кусковые материалы необходимых
размеров. Применяют два способа
окусковывания: агломерацию и окатывание.

При агломерации
шихту, состоящую из железной руды (40…50
%), известняка (15…20 %), возврата мелкого
агломерата (20…30 %), коксовой мелочи (4…6
%), влаги (6…9 %), спекают на агломерационных
машинах при температуре 1300…1500 0С.
При спекании из руды удаляются вредные
примеси (сера, мышьяк), разлагаются
карбонаты, и получается кусковой пористый
офлюсованный агломерат,

При окатывании
шихту из измельчённых концентратов,
флюса, топлива увлажняют и при обработке
во вращающихся барабанах она приобретает
форму шариков-окатышей диаметром до 30
мм. Их высушивают и обжигают при
температуре 1200…1350 0С.

Использование
агломерата и окатышей исключает отдельную
подачу флюса– известняка в доменную
печь при плавке.

Выплавка чугуна.

Чугун выплавляют
в печах шахтного типа – доменных
печах
.

Сущность процесса
получения чугуна в доменных печах
заключается в восстановлении оксидов
железа, входящих в состав руды оксидом
углерода, водородом и тв¨рдым углеродом,
выделяющимся при сгорании топлива.

При выплавке чугуна
решаются задачи:

  1. Восстановление
    железа из окислов руды, науглероживание
    его и удаление в виде жидкого чугуна
    определённого химического состава.

  2. Оплавление пустой
    породы руды, образование шлака,
    растворение в нём золы кокса и удаление
    его из печи.

Устройство и
работа доменной печи.

Доменная печь
(рис. 1.1) имеет стальной кожух, выложенный
огнеупорным шамотным кирпичом
. Рабочее
пространство печи включает колошник
6, шахту5, распар4, заплечики3,горн1, лещадь15.

Рис. 1.1. Устройство доменной печи

В верхней части
колошника находится засыпной аппарат
8, через который в печь загружают
шихту. Шихту подают в вагонетки9подъемника, которые передвигаются по
мосту12к засыпному аппарату и,
опрокидываясь, высыпают шихту в приемную
воронку7распределителя шихты. При
опускании малого конуса10шихта
попадает в чашу11, а при опускании
большого конуса13– в доменную печь,
что предотвращает выход газов из доменной
печи в атмосферу.

При работе печи
шихтовые материалы, проплавляясь,
опускаются, а через загрузочное устройство
подают новые порции шихты, чтобы весь
полезный объ¨м был заполнен.

Полезный объем
печи – объем, занимаемый шихтой от
лещади до нижней кромки большого конуса
засыпного аппарата при его опускании.

Полезная высота
доменной печи (Н) достигает 35 м, а
полезный объем – 2000…5000 м3.

В верхней части
горна находятся фурменные устройства
14, через которые в печь поступает
нагретый воздух, необходимый для горения
топлива. Воздух поступает из
воздухонагревателя, внутри которого
имеются камера сгорания и насадка из
огнеупорного кирпича, в которой имеются
вертикальные каналы
. В камеру сгорания
к горелке подается очищенный доменный
газ, который, сгорая, образует горячие
газы. Проходя через насадку, газы
нагревают ее и удаляются через дымовую
трубу
. Через насадку пропускается
воздух, он нагревается до температуры
1000…12000С и поступает к фурменному
устройству, а оттуда через фурмы2– в рабочее пространство печи. После
охлаждения насадок нагреватели
переключаются.

Горение топлива.
Вблизи фурм природный газ и углерод
кокса, взаимодействуя с кислородом
воздуха, сгорают:

В результате
горения выделяется большое количество
теплоты, в печи выше уровня фурм
развивается температура выше 2019 0С.

Продукты сгорания
взаимодействуют с раскаленным коксом
по реакциям:

Образуется смесь
восстановительных газов, в которой
окись углерода
является
главным восстановителем железа из его
оксидов. Для увеличения производительности
подаваемый в доменную печь воздух
увлажняется, что приводит к увеличению
содержания восстановителя.

Горячие газы,
поднимаясь, отдают теплоту шихтовым
материалам и нагревают их, охлаждаясь
до 300…400 0С у колошника.

Шихта (агломерат,
кокс) опускается навстречу потоку газов,
и при температуре около 570 0С
начинается восстановление оксидов
железа.

Восстановление
железа в доменной печи
.

Закономерности
восстановления железа выявлены академиком
Байковым А.А.

Восстановление
железа происходит по мере продвижения
шихты вниз по шахте и повышения температуры
от высшего оксида к низшему, в несколько
стадий:

Температура определяет характер
протекания химических реакций.

Восстановителями
окcидов железа являются твердый углерод,
оксид углерода и водород.

Восстановление
твердым углеродом (коксом) называется
прямым восстановлением,протекает
в нижней части печи (зона распара), где
более высокие температуры, по реакции:

Восстановление
газами (и)
называетсякосвенным восстановлением,
протекает в верхней части печи при
сравнительно низких температурах, по
реакциям:

За счет
ивосстанавливаются все высшие оксиды
железа до низшего и 40…60 % металлического
железа.

При температуре
1000…1100 0C восстановленное из руды
тв¨рдое железо, взаимодействуя с оксидом
углерода, коксом и сажистым углеродом,
интенсивно растворяет углерод. При
насыщении углеродом температура
плавления понижается и на уровне распара
и заплечиков железо расплавляется (при
температуре около 13000С).

Капли железоуглеродистого
сплава, протекая по кускам кокса,
дополнительно насыщаются углеродом
(до 4%), марганцем, кремнием, фосфором,
которые при температуре 2019 0C
восстанавливаются из руды, и серой,
содержащейся в коксе.

В нижней части
доменной печи образуется шлак в результате
сплавления окислов пустой породы руды,
флюсов и золы топлива. Шлаки содержат
.
Шлак образуется постепенно, его состав
меняется по мере стекания в горн, где
он скапливается на поверхности жидкого
чугуна, благодаря меньшей плотности.
Состав шлака зависит от состава
применяемых шихтовых материалов и
выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают
из печи каждые 3…4 часа через чугунную
летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа
через шлаковую летку17(летка –
отверстие в кладке, расположенное выше
лещади).

Летку открывают
бурильной машиной, затем закрывают
огнеупорной массой. Сливают чугун и
шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные
чаши.

Чугун поступает
в кислородно-конвертерные или мартеновские
цехи, или разливается в изложницы
разливочной машиной, где он затвердевает
в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Температуру плавления металлов, которая изменяется от малейшего (-39 °С для ртути) до наибольшего (3400 °С для вольфрама), а также плотность металлов в твердом состоянии при 20 °С и плотности жидких металлов при температуре плавления приведены в таблице плавки цветных металлов.

Таблица 1. Плавки цветных металлов

Металл

Атомная масса

Температура плавления tпл , °С

Густота ρ, г/см3

твердого при 20 °С

редкого при

tпл

Алюминий

27

660

2,70

2,37

Берилий

9

1285

1,80

1,69

Бор

10,8

2075

2,34

Ванадий

51

1720

5,90

5,73

Висмут

209

271

9,80

10,00

Вольфрам

184

3400

19,20

17,60

Железо

56

1539

7,87

7,00

Золото

197

1063

19,30

17,35

Кобальт

59

1492

8,90

8,30

Кремний

28

1430

2,35

2,53

Литий

7

180

0,53

0,50

Магний

24

650

1,70

1,59

Марганец

55

1240

7,40

6,75

Медь

64

1083

8,92

8,0

Молибден

96

2620

10,20

9,30

Никель

59

1455

8,90

7,90

Олово

119

232

7,30

7,00

Платина

195

1769

21,40

19,77

Ртуть

201

–39

13,55

13,70

Свинец

207

327

11,35

10,60

Сурма

122

630

6,70

6,79

Серебро

108

960

10,50

9,35

Титан

48

1670

4,50

4,10

Хром

52

1875

7,20

6,30

Цинк

65

419

7,10

6,60

Цирконий

91

1850

6,50

5,80

к содержанию ↑

Сварка меди. Температура плавки металла Cu, почти в шесть раз превышает температуру плавки стали, медь интенсивно поглощает и растворяет различные газы, образуя с кислородом оксиды. Оксид меди II с медью образует эвтектику, температура плавления которой (1064°С) ниже температуры плавления меди (1083°С). При затвердевании жидкой меди эвтектика располагается по границам зерен, делает медь хрупкой и склонной к образованию трещин. Поэтому основной задачей при сварке меди является защита его от окисления и активное раскисление сварочной ванны.

Наиболее распространенное газовое сварки меди ацетиленокисневим пламенем с помощью горелок, которые в 1,5…2 раза мощнее горелки для сварки сталей. Присадочным металлом есть медные прутки, содержащие фосфор и кремний. Если толщина изделий более 5…6 мм, их сначала подогревают до температуры 250…300°С. Флюсами при сварке является прожаренная бура или смесь, состоящую из 70% буры и 30% борной кислоты. Чтобы повысить механические свойства и улучшить структуру наплавленного металла, медь после сварки проковывают при температуре около 200…300°С. Потом ее снова нагревают до 500-550°С и охлаждают в воде. Медь сваривают также электродуговым способом электродами, в струе защитных газов, под слоем флюса, на конденсаторных машинах, способом трения.

Сварка латуни. Латунь – это сплав меди с цинком (до 50%). Основное загрязнение при этом – испарение цинка, в итоге чего шов теряет свои качества, в нем возникают поры. Латунь, как и медь, в основном сваривают ацетиленовым окислительным пламенем, при котором на поверхности ванны создается пленка тугоплавкого оксида цинка, уменьшающая дальнейшее выгорание и испарение цинка. Флюсы используют такие же, как и при сварке меди. Они создают на поверхности ванны шлаки, которые связывают оксиды цинка и затрудняют выход паров из сварочной ванны. Латунь сваривают также в защитных газах и на контактных машинах.

Сварка бронзы. В большинстве случаев бронза – это литейный материал, поэтому

сварку применяют при исправлении дефектов или во время ремонта. Чаще всего применяют сварку металлическим электродом. Присадочным металлом является прутки того самого состава, что и основной металл, а флюсами или электродным покрытием – хлористые и фтористые соединения калия и натрия.

Сварка алюминия. Основными факторами, затрудняющими сварку алюминия, является низкая температура его плавления (658°С), большая теплопроводность (примерно в 3 раза выше теплопроводности стали), образование тугоплавких оксидов алюминия, которые имеют температуру плавления 2050°С, поэтому технология плавки цветных металлов, таких как медь или бронза, не подходит для плавки алюминия. Кроме того, эти оксиды слабо реагируют как с кислыми, так и основными флюсами, поэтому плохо удаляются из шва.

Чаще всего используют газовую сварку алюминия ацетиленовым пламенем. В последние годы значительно распространилось также автоматическая дуговая сварка металлическими электродами под флюсом и в среде аргона. При всех способах сварки, кроме аргонодуговой, применяют флюсы или электродные покрытия, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и других элементов. Как присадочный металл при всех способах сварки используют проволоку или стержни того же состава, что и основной металл.

Алюминий

хорошо сваривается электронным лучом в вакууме, на контактных машинах, электрошлаковым и другими способами.

Сварка сплавов алюминия. Сплавы алюминия с магнием и цинком сваривают без

особых осложнений, так же как и алюминий. Исключением является дюралюминий – сплавы алюминия с медью. Эти сплавы термически упрочняются после закалки и следующего старения. Когда температура плавки цветных металлов свыше 350°С в них происходит снижение прочности, которое не восстанавливается термической обработкой. Поэтому при сварке дюралюминия в зоне термического влияния прочность уменьшается на 40…50%. Если дюралюминий сваривать в защитных газах, то такое снижение может быть восстановлено термической обработкой до 80…90% по отношению к прочности основного металла.

Сварка магниевых сплавов. При газовой сварке обязательно применяют фторидные флюсы, которые в отличие от хлоридных не вызывают коррозии сварных соединений. Дуговая сварка магниевых сплавов металлическими электродами через низкое качество сварных швов до настоящего времени не применяется. При сварке магниевых сплавов наблюдается значительный рост зерна в около шовных участках и сильное развитие столбчатых кристаллов в сварном шве. Поэтому предел прочности сварных соединений составляет 55…60% предела прочности основного металла.

Таблица 2. Физические свойства промышленных цветных металлов

Свойства

Металл

Ве

Mg

А1

Тi

Ni

Сu

Атомный номер

4

12

13

22

28

3,29

Атомная масса

9,013

24,32

26,981

47,88

58,7

63,54

Густота

при температурте

20 °С, кг/м3

1847

1737

2698

4507

8897

8940

Температура плавления, °С

1287

650

660,24

1668

1455

1083

Температура кипения, °С

2450

1107

2520

3169

2822

2360

Атомный диаметр, нм

0,226

0,32

0,286

0,29

0,248

0,256

Скрытая теплота плавления,

кДж/кг

1625

357

389,37

358,3

302

205

Скрытая теплота испарения,

кДж/кг

34395

5498

10885

9790

6376

6340

Удельная теплоемкость при температуре 20 °С, Дж/(кг.°С)

1826

1047,6

961,7

521

450

385

Удельная теплопроводность, 20 °С, Вт/(м—°С)

2930

167

221,5

21,9

88,5

387

Коэффициент линейного расширения при температуре 25 °С, 106°С—1

12

26

23,3

9,2

13,5

16,8

Удельное электросопротивление при температуре 20°С, мкОм—м

0,04

0,045

0,02767

0,58

0,0684

0,0172

Модуль нормальной упругости, ГПа

311,1

44,1

70,6

103

203

125

Модуль сдвига, ГПа

140

17,854

27

39,2

73

46,4

к содержанию ↑

Тигельная плавка

Неотъемлемой составляющей производства металла и металлических изделий, является использование во время производственного процесса тиглей для производства, выплавки и переплавки как черного, так и цветного металла. Тигли — это неотъемлемая часть металлургического оборудования при отливании разнообразных металлов, сплавов, и тому подобное.

Керамический тигель для плавки цветных металлов используется для плавки металлов (меди, бронзы) с древнейших времен.

Микрофотография серого чугуна

Чугун — сплав железа с углеродом (более 2 % углерода по массе) и другими элементами, который характеризуется наличием эвтектического превращения: нестабильного (цементитной) или стабильного (графитового)[1].

Слово «чугун» происходит с тюркских языков,[2] в которые оно, вероятно, попало с китайского языка.[3]

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

[править] История

Выплавка чугуна в Китае

Древнейшие артефакты, изготовленные из чугуна, были найдены на территории восточной части современного Китая во время археологических раскопок и относятся к 5 в. до н. э.[4] Первое письменное упоминание о чугун случается в китайском летописи «Цзо чжуань» (составлен около 389 до н. э.) в записи, касающейся 513 гг. до Р. Х. В Китае получали чугун с высокофосфористых железных руд, поэтому он содержал до 7 % фосфора и имел низкую температуру плавления. Из него выливали разнообразные изделия.[5] Чугун выплавляли в небольшой печи высотой до 1 м, которая была соединена со специальным дутьевым ящиком, с помощью которого интенсивно подавался воздух (дутье) ​​в печь, что обеспечивало высокие температуры в печи и создавало условия для науглероживание железа, образования чугуна и его плавления (чугун имеет температуру плавления ниже температуры плавления чистого железа). Дутьевые ящики приводились в действие вручную или с помощью водяного колеса.

Чугун был известен и античным европейским металлургам 5—6 веков до н. э. и более позднего времени. Он образовался в горнах вместе с основным продуктом — сталью при отклонениях от сыродутного процесса. Аристотель отмечал, что при большом нагреве в горне может образоваться жидкое железо, которое после застывания отличается от обычного железа. Плиний Старший в «Естественной истории» писал: «

Железо

при плавлении становится жидким, как вода, и после этого ломается подобно губке». Ломкость железа в данном случае говорит о том, что речь идет именно о чугуне.

Новое знакомство европейских металлургов с чугуном, причем в больших масштабах, произошло уже в Средневековье, в 11 — 12 веках, также при отклонениях от сыродутного процесса, который проводился в то время уже в больших сыродутных печах высотой до 4 — 5 м. Предполагается, что знакомство с чугуном произошло неожиданно для самих металлургов. Жидкий чугун вытекал из печи вместе со шлаком. Чугун не поддается ковке через свою ломкость и первоначально его считали нежелательным отходом производства, образование которого уменьшало выход полезного продукта — стали. Первый европейский чугун выплавляли на территории Священной Римской империи в конце XIV в., почти одновременно в австрийской Штирии и Северной Италии. Только потом из чугуна научились делать отливки и начали использовать его в литья. Еще позже научились повторно переплавлять его с рудой в кричного горные и получать с него ковкое железо. При этом было замечено, что выплавка полупродукта — чугуна — в одном агрегате и дальнейшая его переработка на ковкое железо в другом агрегате имеет большую экономическую эффективность по сравнению с прямым сыродутным процессом получения железа в сыродутных горнах. Расход древесного угля сократился в два раза, выход железа увеличился в полтора раза, возросла производительность производства железа. После этого металлурги начали строить доменные печи, единственным продуктом которых был только жидкий чугун. Все дальнейшее развитие металлургии железа происходил как совершенствование этого двухступенчатого способа производства стали.[6]

С 2019 до 2019 год мировая выплавка чугуна возросла примерно с 60 до 104 тыс. т (в 1,7 раза), а за XVIII век — с 104 до 278 тыс. т (1790), то есть в 2,67 раз. За следующие 80 лет с 2019 по 2019 год выплавка чугуна составила 12 млн т, что в 43 раза больше, чем в 2019 году.

На долю Англии приходилось в 60-х годах XIX в. более 50 % всего выплавляемого чугуна. Но позднее Англию по темпам развития черной металлургии обогнали США и Германия.

[править] Производство чугуна

Основным способом получения чугуна является доменное производство. В относительно незначительном количестве также получают так называемый синтетический чугун в электрических печах из стальных отходов с добавлением карбюризаторов.

Чугун при доменном производстве получают из железорудного сырья (изготовленных из железной руды окатышей или агломерата) в специальных вертикальных печах, которые называются 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.

Суточная производительность доменной печи, в зависимости от ее полезного объема, может составлять от 2019 т до 10000 т чугуна в сутки. Доменная печь после ее пуска работает непрерывно 5-6 лет, иногда — и до 10 лет. Затем ее ремонтируют и снова пускают в работу. Операции по подготовке шихты, загрузке ее в домну, выпуска чугуна и шлака механизированы. Шихту загружают через верхнюю часть домны (колошников).

Сначала засыпают слой кокса, затем слой смеси руды с коксом и флюсами, затем снова слой кокса и т. д. Кокс служит источником тепла для поддержания нужной температуры в домне и для получения восстановителя — оксида углерода CO, а флюсы (чаще CaCO3) — для преобразования пустой породы (SiO2, глины и т. д.) в легкоплавкие соединения — шлак.

Горения кокса поддерживается вдуванием в нижнюю часть домны (горно) предварительно нагретого до 800—1000° С воздуха. Самая высокая температура (до 2019 ° C и даже больше) достигается в нижней части домны в зоне горения кокса, а самая низкая (до 200° C) — в самой высокой части.

  • C + O2 = СО2
  • CO2 + 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 Fe2O3 восстанавливается до Fe3O4

  • 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 ↑

при 600° C Fe3O4 восстанавливается до FeO:

  • Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 ↑

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

  • FeO + CO = Fe + CO2 ↑

При более высоких температурах в процессах восстановления оксидов железа участвует 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 как примеси, — марганец, кремний, фосфор и др. К примеру:

  • SiO2 + 2C = Si + 2CO ↑
  • Ca3(PO4)2 + 5C = 2Р + 3CaO + 5СО ↑

Создаваемое губчатое железо частично реагирует с раскаленными углеродом и образует химическое соединение — карбид железа Fe3C:

  • 3Fe + C = Fe3C

Это соединение не подлежит правилам обычной валентности. Карбид железа 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 2019 ° 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 (горна), откуда его периодически выпускают. Пустая порода, содержащаяся в железной руде, удаляется в виде шлака. Известняк, который добавляется к шихте как флюс, при 800—1000° С разлагается на оксид кальция и диоксид углерода. Создаваемый CaO как оксид с основными свойствами взаимодействует с диоксидом кремния и амфотерными оксидом алюминия (содержащимся в глине) с образованием относительно легкоплавких силиката кальция и алюмината кальция:

  • CaCO3 = CaO + CO2 ↑
  • CaO + SiO2 = CaSiO3
  • CaO + Al2O3 = Ca(AlO2)2

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

[править] Доменный газ

Доменный газ, кроме азота, диоксида углерода и других газов, содержит около 30 объемных процентов оксида углерода CO. Его сжигают в кауперах, в которых нагревается воздух, вдуваемый 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 природного 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 и водяного пара. Последний, реагируя с раскаленным коксом, превращаются в монооксид углерода CO и водород:

  • CH4 + 2O2 = CO2 ↑ + H2O
  • CO2 + C = 2CO ↑
  • H2O + C = CO ↑ + H2 ↑

[править] Виды

Чугуны, которые выплавляют в доменных печах, разделяют 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 жидкотекучесть и незначительной (~ 1 %) усадкой при кристаллизации и последующего охлаждения, способностью легко обрабатываться резанием, возможностью изменения свойств термообработкой и легированием. Лучшие литейные свойства имеют эвтектические чугуны, поскольку в них меньший 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 железом — цементита. В зависимости от состояния углерода в чугунах, их классифицируют на белые и машиностроительные чугуны.

[править] Белый чугун

В белых чугунах весь углерод находится в цементите. Благодаря цементита такие чугуну имеют белый блестящий излом, от цвета которого и происходит их название. Структуру белых чугунов в равновесном состоянии творят две фазы — феррит и цементит. Благодаря твердом 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.

[править] Машиностроительный чугун

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.

[править] 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. И благодаря пластинчатом графита в серых чугунах удачно сочетаются хорошие антифрикционные свойства, износостойкость, 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. п.

[править] С шаровидным графитом

Чугуна с шаровидным графитом, если сравнить с другими чугунами, имеют наивысшую пластичность, ударную вязкость и одновременно прочность (за что их называют высокопрочными), что в первую очередь обусловлено шарообразной формой графита, которая обеспечивается модификацией. Модификация заключается во введении в расплав малых добавок (0,03-0,06 %) поверхностно активных 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 содержит 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, шпинделя, зубчатые колеса в станкостроении; плиты гидравлических прессов, направляющие и плунжеры литейных машин, напорных труб для воды, нефти, агрессивных жидких и газовых сред.

[править] Ковка чугуна

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

По ГОСТ 1215-79 марки ковкого чугуна 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 ограничение размеров.

[править] Источники

  1. ↑ ДСТУ 2891-94 Чугун для отливок. Термины и определения.
  2. ↑ Чугун. // Этимологический словарь украинского языка: В 7 т. / Редкол. А. С. Мельничук и др. — К.: Научное мнение, 1983. — Т. 6: В — Я / Сост.: Г. П. Полторак и др. — 2012. — С. 274
  3. ↑ Н. Баскаков. О проблеме китайских заимствований в тюркских языках.

  4. Железо

    и сталь в Древнем Китае

  5. ↑ Чугун. Большая советская энциклопедия. Главн. ред. А. М. Прохоров, 3-е изд. Тома 1-30. — М.: «Советская энциклопедия», 1969—1978
  6. ↑ Металлургия чугуна. Ефименко Г. и др. Изд. 2. — К.: Высшая школа, 1974. С. 13.

[править] Литература

  • Ф. А. Деркач «Химия» Л., 1968.
  • Зворыкин А. А. История техники. 1962 г. — 772 с.
  • В. Попович, А. Кондир, Е. Плешаков и др. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Практикум: Учеб. пособие. — Львов: Мир, 2009. — 552 с.
  • Мовчан В. П., Бережной Н. Н. Основы металлургии. — Днепропетровск: Пороги, 2001. — 336 с.
  • Основы металлургического производства металлов и сплавов / Чернега Д. Ф. , Богушевский В. С., Готвянський Ю. Я. и др .; под ред. Д. Ф. Чернеги, Ю. Я. Готвянського. — К.: Высшая школа, 2006. — 503 с. — ISBN 966-642-310-3

На сегодняшний день чугун считается одни из самых распространённых металлов. Из него изготавливаются детали для техники и промышленного оборудования, строительные материалы и многое другое. Прежде чем заниматься литьем необходимо знать температуру плавления чугуна.

Виды чугуна

Существует несколько видов чугуна. В него добавляют различные легирующие примеси, которые изменяют характеристики цельного материала. Для этого используют алюминий, хром, ванадий или никель. В дополнение к ним идут и другие примеси. Параметры готовых изделий напрямую зависят от состава сплава. Разновидности:

  1. Серый чугун. Считается самым популярным видом. В составе содержится 2,5% углерода, который представляет собой частицу графита или перлита. Обладает высоким показателем прочности. Из серого чугуна делают детали, выдерживающие постоянные нагрузки. Это могут быть зубчатые шестерни, детали корпусов, втулки.
  2. Белый чугун. Углерод, содержащийся в составе, представляет собой частицы карбида. На изломе материала остаётся белый след, что соответствует названию. Содержание углерода в среднем более 3%. Хрупкая и ломкая разновидность материала, из-за чего его используют только в статических деталях.
  3. Половинчатый. Объединяет в себе характеристики двух предыдущих видов чугуна. Частицы графита и карбида насыщают металл углеродом. Его содержание от 3,5 до 4,2%. Износоустойчивый материал, который используется в машиностроении. Выдерживает постоянное трение.
  4. Ковкий чугун. Получается из второй разновидности материала, после проведения отжига. Сплав содержит углерод в виде частиц феррита. Его количество — около 3,5%. Как и половинчатый используется для изготовления деталей в машиностроении.

Чтобы получить высокопрочный материал, частицы графита подвергают обработке, чтобы они приняли шаровидную форму и заполнили кристаллическую решётку. В сплав добавляют магний, кальций или церий.

Тепловые свойства чугуна

Характеристики металла зависят от его тепловых свойств. Они меняются при обработке высокими и низкими температурами. Напрямую зависят от состава сплава.

Теплоемкость

Теплоемкость — обработка металла теплом. Нагревается до тех пор, пока температура заготовки не поднимется на один Кельвин. Этот показатель зависит от наличия дополнительных компонентов в сплаве и температуры. Если она высокая, то и теплоемкость будет больше. Средние показатели теплоемкости:

  1. Твердый металл — 1 кал/см3Г.
  2. Расплавленные материал — 1,5 кал/см3Г.

Из этих показателей высчитывается соотношение теплоемкости и объема вещества.

Теплопроводность

Этот параметр определяет насколько хорошо материал может проводить теплоэнергию. Зависит не только от компонентов в составе сплава, но и структуры металла. Теплопроводность для твердого материала выше, чем для расплавленного. У разных марок стали этот показатель варьируется в пределах 0.08–0.13 кал/см сек оС.

Температуропроводность

Эта физическая величина отображает способность материла изменять температуру тела. При расчёте требуется учитывать такие показатели:

  1. Диапазон теплопроводности для разных марок чугуна. Применимо к твердому материалу.
  2. Для жидкого металла — 0.03 см2/сек.

Дополнительно учитывается показатель теплоемкости.

Температура плавления

Чугун считается лучшим металлом для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий усадки позволяют эффективнее использовать его при литье. Ниже будут приведены показатели температуры кипения для разных видов этого металла в градусах Цельсия:

  1. Серый чугун — температура плавления достигает 2019 градусов. При заливке в формы поднимается до 1400.
  2. Белый — плавится при 2019 градусах. Заливается в формы при 1450.

Показатели плавления чугуна на 400 градусов ниже, чем у стали. Это снижает затраты энергии при обработке чугуна.

Влияние химических элементов на свойства металла

Чтобы понимать, как влияют примеси на характеристики и свойства чугуна, необходимо разобраться со структурой его отдельных видов:

  1. Белый — форма углерода в этой разновидности представляет собой карбид. На изломе виднеется белый цвет. Считается хрупким и ломким материалом, который редко используется в промышленности без добавок.
  2. Серый чугун. Пластинки графита в этом материале насыщают его углеродом. Чтобы использовать материал при производстве деталей для промышленного оборудования, изменяется форма зерен с помощью плавки.
  3. Ковкий — графитные зерна в этой разновидности металла имеют вид хлопьев.

Высокопрочный чугун получается после добавления в сплав магния. Чтобы улучшить характеристики этого металла, используются примеси.

Примеси

Каждая примесь, добавляемая к железу и углероду, изменяет свойства готового материала. Влияние добавок на качество чугуна:

  1. Магний. Позволяет сделать шаровидные зерна в материале. Это увеличивает показатели прочности и твердости заготовки.
  2. Марганец

    . Замедляет процесс графитизации. Металл белее на изломах.

  3. Кремний

    . Увеличивает графитизацию материала. Максимальное количество кремния в заготовке — 3,5%. От его количества зависит показатель прочности.

  4. Сера. Количество этой примеси снижается для улучшения жидкотекучести.
  5. Фосфор. Практически не влияет на процесс графитизации. Улучшает жидкотекучесть. При добавлении фосфора в сплав, улучшается износоустойчивость и прочность.

В чугун могут добавляться легированные материалы.

Технология самостоятельной плавки

Зная при какой температуре плавится чугун, можно провести самостоятельную плавку. Однако это затратный и трудоемкий процесс. Сделать качественную отливку без специального оборудования невозможно.

В первую очередь, требуется оборудовать отдельное помещение, в котором будет хорошая вентиляция. Процесс плавки производится в печи. Лучший вариант — доменная печь. С ее помощью можно перерабатывать большие объемы расходного материала (железорудного сырья). Используемое топливо — кокс. Однако это промышленно оборудование, которое требуется особых условий использования.

В собственных мастерских используются индукционные печи. Расплавляется сырьё в тиглях. В процессе плавки необходимо использовать флюс, благодаря которому образуется легкоплавкий шлак. Когда металл расплавлен, мастер переливает его в формы из песка или металла.

Температура плавления чугуна незначительно изменяется в зависимости от вида материала и содержащихся в нём примесей. В домашних условиях крайне сложно обрабатывать этот металл. Требуется оборудовать помещение, позаботиться о вентиляции и пожаробезопасности. После подготовки установить печь и другие приспособления для плавки.