8.1 Производство чугуна

Чугун — сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны.

Серый чугун

Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. Высокая хрупкость, свойственная серым чугунам вследствие наличие в их структуре графита, делает невозможным их применение для деталей, работающих в основном "на растяжение" или "на изгиб"; чугуны используются лишь при работе "на сжатие".

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами «С» -- серый и «Ч» -- чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 -- чугун серый, предел прочности при растяжении 200 МПа.

По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие группы:

ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;

перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршней, цилиндров, блоков двигателей;

модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита.

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплосмен (блоки двигателей, поршневые кольца).Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы и силикобарий.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостоикость). Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы.

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293-85 и маркируются буквами «В» -- высокопрочный, «Ч» -- чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, ВЧ 100 -- высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа (или 100 кг/мм2).

Ковкие чугуны

Ковкий чугун — условное название мягкого и вязкого чугуна. Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники.

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79. Ковкие чугуны маркируют буквами «К» -ковкий, «Ч» - Чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая - относительное его удлинение при разрыве.

Различают черносердечный ковкий чугун, получаемый в результате графитизирующего отжига, и белосердечный, получаемый путем обезуглероживающего отжига в окислительной среде.

Легированные чугуны

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные чугуны.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500--600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.

Выплавка чугуна производится в доменных печах, представляющих собой сложный технологический агрегат.

Доменная печь, домна — большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до ее «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Основным материалом для доменного производства является железная руда, содержащая железо в виде оксидов. Оксиды железа купить в виде руды возможно у сырьевых компаний крупнейших стран-экспортёров: Австралия, Бразилия, Индия, Канада, ЮАР, Украина, Россия, Швеция, Казахстан. Для загрузки в печь наиболее удобны куски руды диаметром от 10 до 50 мм. Более мелкая и пылевидная руда должна быть окускована путем спекания. Такое спекание называется агломерацией и производится на агломерационных фабриках, которые строятся иногда на рудниках, но чаще непосредственно на металлургических заводах. В доменной печи происходит отделение железа от кислорода (процесс восстановления). Этот процесс возможен при высоких температурах, для создания которых в доменной печи сжигается кокс. Кокс содержит углерод, который при высоких температурах соединяется с кислородом оксидов железа или, как принято говорить, восстанавливает железо из оксидов. Раньше вместо кокса в доменных печах сжигали обыкновенный древесный уголь.

Пустая порода, содержащаяся в большом количестве в железной руде, и зола, имеющаяся в коксе, при плавлении шихты не переходят в металл, а образуют шлак, который нужно своевременно удалить из печи. Чтобы облегчить удаление шлака, в руду добавляют флюсы - материал, придающий шлаку более жидкий вид. Обычно флюсом служит известняк.

Материалы подают в засыпное устройство, находящееся в верхней части домны, по наклонному мосту в специальных тележках-скипах, емкость которых на больших печах достигает 10 м³; подача материалов идёт непрерывно.

Рис. 8.1. Схема доменного производства

Таким образом, основными материалами для производства чугуна в доменной печи является железная руда, кокс и известняк. Кроме того, в доменном процессе для поддержания горения необходим воздух. Печь может работать только при непрерывной подаче воздуха.