Чугун ℹ️ определение, формула и структура, виды и классификация, характеристика, химические и физические свойства, основные способы производства и применения

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/мм²: 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:

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

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

3. Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.

4. Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.

5. Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.

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

Недостатки:

1. 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.

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

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

4. 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:

1. 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.

2. Сантехническая фурнитура, канализационные трубы.

3. Декоративные элементы: ограды, решетки, ворота.

4. Печи для домов, бань.

 

Получение чугунов и их разновидностей — Студопедия

Чугун – это сплав железа с углеродом, количество которого составляет от 2 до 3,6 %. Кроме того, в чугуне имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы.

Легированный чугун – это чугун, в состав которого входят специальные добавки, такие как хром, никель и молибден. Легированный чугун отличается высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью, а также имеет хорошие механические свойства.

Для процессов плавки применяются несколько видов топлива: газообразное, твердое и жидкое. Топлива могут быть естественными и искусственными.

К газообразному естественному топливу относится природный, добываемый из земных недр газ, к газообразному искусственному – генераторный газ, ацетилен, светильный газ и др.

К твердому естественному топливу относятся каменный уголь, бурый уголь, торф и древесина, а к твердому искусственному – кокс, брикеты и древесный уголь.

К жидкому естественному топливу относится нефть, а к жидкому искусственному – продукты перегонки нефти: соляровое масло, керосин, бензин и др.

Доменная печь – это шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды, в которой исходные материалы для плавки перемешаны и постепенно опускаются навстречу поднимающимся горячим газам. Входящие в шихту исходные материалы – руда, топливо и флюсы – загружаются сверху через загрузочное устройство в колошник доменной печи, а нагретый воздух через фурмы подается в нижнюю цилиндрическую часть печи – горн. Получающийся в результате восстановления руды в доменной печи чугун и шлак скапливаются в металлопри-емнике нижней части горна, образуя вследствие разницы удельных весов два слоя (чугун – нижний, шлак – верхний), которые периодически выпускаются через специальные отверстия – чугунную и шлаковую лётки.

Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Загрузка доменной печи производится сверху, слив чугуна и шлака – через нижнюю часть доменной печи. Доменная печь загружается железной рудой, топливом (коксом) и флюсом (известняком).

К основным железным рудам относятся: магнетит (магнитный железняк), содержащий 55–65 % железа, гематит (красный железняк) – 55–58 % железа, лимонит – 35–55 % железа, гетит – 25–39 % железа, а также железный шпат, содержащий до 48 % железа.

Обогащением руд называется удаление из железной руды различных примесей горных пород и других загрязнений. Обогащение руды можно производить механическим и магнитным способами.

Доменный процесс – это процесс получения чугуна из руды в доменных печах. В результате многочисленных физических изменений и химических реакций, происходящих под воздействием высоких температур в доменной печи, из руды получается чугун. Этот процесс протекает при температуре в нижней части доменной печи (в горне) 1700 °C и в верхней части (в колошнике) – 550 °C.

Основным продуктом доменного производства является чугун, побочными – доменный шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

В доменной печи получают белый (передельный) и серый (литейный) чугуны. Содержание углерода в чугуне 2–3,6 %.

Белый чугун – твердый и хрупкий материал. Поэтому его механическая обработка затруднена. Это передельный чугун, используемый для получения стали и ковкого чугуна. В небольших количествах белый чугун используется для литья дорожных катков, где большое значение имеет твердость и отсутствует ударная нагрузка. Так как белый чугун содержит карбид железа, то на изломе он имеет белую окраску.

Серый чугун (литейный) из-за малой усадки при литье и хорошей текучести применяется для литья. Серый чугун характеризуется большой прочностью на сжатие, однако плохо сопротивляется ударам. Его нельзя подвергать растяжению, скручиванию и гибке. В отличие от белого чугуна, серый чугун мягкий и хорошо обрабатывается.

В зависимости от условий и режима плавки получают белый или серый чугуны.

К химическим элементам, которые входят в состав чугуна и оказывают влияние на его свойства, относятся: сера – ухудшает текучесть и вызывает плохое заполнение форм, тормозит выделение графита, повышая из-за этого твердость чугуна; фосфор – дополнительно снижает текучесть чугуна, тормозит растворение цементита в железе, повышая твердость и хрупкость чугуна; кремний – интенсифицирует разложение цементита в чугуне и освобождение графита (при получении в доменной печи серого чугуна), улучшает литейные свойства и повышает мягкость чугуна; марганец – способствует образованию белого чугуна, причем незначительный процент марганца в сером чугуне увеличивает его механическую выносливость, а в общем способствует удалению серы из чугуна.

Производство чугуна: химия и физика

Первичный чугун получают в доменных печах путем восстановления окислов железа в металлическое железо. Условия в этих печах таковы, что железо чрезмерно насыщается углеродом и выходит из домны в виде чугуна. Этот чугун, кроме того, содержит повышенное содержание различных примесей кремния, марганца, фосфора и других.

Принцип производства чугуна практически не изменился с самых древних времен. Древние доменные печи были из глины и производили несколько килограммов чугуна в сутки. Современные доменные печи — самые большие печи в мире — способны производить в сутки до 6000 тонн чугуна.

Чугун производят путем проведения в доменной печи химических реакций железных и марганцевых руд с восстановителями – окисью углерода и атомарным углеродом. Эти восстановители образуются в результате сжигания в печи топлива – кокса, мазута, природного газ и измельченного каменного угля. Кроме железной руды и топлива применяют и другие материалы, в первую очередь, флюсы. Флюсы необходимы для понижения температуры плавления пустой породы железной руды, перевода в шлак серы, фосфора, золы, сжигаемого топлива и образования легкоплавкого жидкотекучего шлака, который удаляется из печи.

Основные материалы для доменной печи

1) Железняки – источник железа.
2) Кокс – топливо и восстановитель.
3) Известняк – при высокой температуре разлагается в образованием СаО, который действует как флюс и переводит кремнистые пустые породы в шлак CaSiO₃.
4) Воздух – поддерживает горение кокса с выделением тепла. Удаляет некоторые неметаллические примеси (кремний, мышьяк) в виде летучих оксидов. Окисляет окись железа FeO в руде до Fe₂O₃, что способствует сохранению железа в руде. Окись железа FeO, основная по природе, реагирует с SiO₂ c образованием шлака FeSiO₃. Воздух делает руду пористой, что способствует однородному восстановлению железа.

Железные руды

В земной коре содержится около 50 % железа в виде окислов, сульфидов и других соединений – всего около 200 различных минералов. Горные породы, из которых технически возможно и экономически целесообразно извлекать металлы называют рудами.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Эти руды содержат много соединений железа, из которых его извлекают, и пустой породы, которая относительно легко отделяется при переработке.

Минералы в железных рудах

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит и магнентит.

Гематит – красный железняк. Содержит железо  в виде безводной окиси железа Fe₂O₃. Содержание железа в красных железняках составляет 45-65 % при небольшом количестве вредных примесей.

Лимонит – бурый железняк. Содержит железо в форме водных окислов типа nFe₂O₃×mH₂O. В буром железняке – 25-50 % железа.

Магнетит – магнитный железняк. Содержит железо  в основном в виде закись-окиси железа Fe₃O₄, обладающего магнитными свойствами. Магнетиты – самые богатые железные руды – содержат 40-70 % железа.

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Конструкция доменной печи

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа. Типичная доменная имеет внизу диаметр 6-8 м и высоту 20-36 м. Самая большая домна, японская, имеет диаметр 14,9 м. Профиль доменной печи и ее температурные зоны показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Профиль доменной печи. Материалы на входе и выходе.
Основные химические реакции

Доменная плавка

Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в верхнюю часть печи (колошник) офлюсованного агломерата и кокса. Их располагают в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения кокса в горячем воздухе, который вдувается в нижней части домны. Шихта постепенно опускается вниз. В результате физико-химического взаимодействия компонентов шихты и поднимающихся газов в нижней части печи – горне – образуются два несмешивающихся жидких слоя – чугун на лещади горна и шлак – над чугуном.

Жидкий чугун выпускают каждые 2-3 часа, в больших печах – каждый час. Шлак из печи выпускают вместе с чугуном. Их разделяют с помощью специальных затворов.

Доменная печь обычно работает непрерывно в течение нескольких лет – до 10 лет.

Физико-химические процессы в доменной печи

В доменной печи одновременно происходят следующие процессы:

1) горение углерода топлива и образование восстановителей;
2) разложение компонентов шихты;
3) восстановление окислов;
4) науглероживание железа и образование чугуна;
5) образование шлака.

Горение топлива и образование восстановителей

Горение углерода топлива происходит в нижней части печи при взаимодействии воздуха при температуре 1000-1300 ºС с коксом:

С + О₂ = СО₂ .

Образующийся углекислый газ поднимается к раскаленному коксу и взаимодействует с ним по реакции с образованием восстановителя СО:

СО₂ + С = 2СО.

Восстановитель СО в присутствии железа разлагается по реакции с образованием атомарного сажистого восстановителя С:

2СО = С + СО₂.

Восстановление окислов железа

Главная задача доменного процесса – восстановление железа из его оксидов. Основную роль в восстановлении железа играют окись углерода и атомарный сажистый углерод, которые образуются в результате доменного процесса.

Зоны реакций восстановления и их температуры в доменной печи показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема восстановления окислов железа
при производстве чугуна в доменной печи

Восстановление окислов железа идет в следующей последовательности:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ →  FeO → Fe

Основными реакциями восстановления являются следующие:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + CO
3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂
FeO + CO = Fe +CO₂

В восстановлении железа также участвует водород, который образуется из воды, которая содержится в шихте.

Науглероживание железа

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с углеродом:

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂.

Сплав железа с углеродом имеет температуру плавления ниже, чем у чистого железа. В результате этого образуются капли жидкого чугуна, которые стекают на дно горна (лещадь) через слой раскаленного кокса, насыщаясь при этом углеродом.

Образование доменного шлака

Основными реакциями образования шлака являются следующие:

CaCO₃ → CaO + CO₂
CaO + SiO₂ = CaSiO₃

Побочные реакции восстановления примесей

В результате побочных реакций происходит восстановление примесных элементов – марганца, кремния и фосфора:

MnO₂ + 2C = Mn + 2CO
SiO₂ + 2C = Si + 2CO
Ca₃(PO₄)₂ + 3SiO₂ = 3CaSiO₃ + P₂O₅
P₂O₅ + 5C + 2P + 5CO

Таким образом, в доменной печи мы получаем своего рода загрязненное примесями железо, то есть чугун, который содержит больших количествах свободный углерод, а также примесные элементы – марганец, кремний и фосфор.

Доменный чугун

Типичный химический состав доменного первичного чугуна:
Железо (Fe) = 93,5-95,0%
Кремний (Si) = 0,30-0,90%
Сера (S) = 0,025-0,050%
Марганец (Mn) = 0,55-0,75%
Фосфор (P) = 0,03-0,09%
Титан (Ti) = 0,02-0,06%
Углерод (C) = 4,1-4,4%

Из доменного первичного чугуна выплавляют сталь. Процесс выплавки стали, грубо говоря, заключается в снижении в железе содержания углерода и очистке его от чрезмерного содержания марганца, кремния, фосфора и других примесей.

Вопрос 16

Вопрос 16

Ответ сохранен

Балл: 1,00

Отметить вопрос

Текст вопроса

Кислая реакция среды (рН < 7) будет в растворах:

Выберите один или несколько ответов:

нитрата алюминия

нитрата меди(II)

сульфата аммония

перхлората кальция

хлорида бериллия

нитрита кальция

карбоната бария

Вопрос 17

Ответ сохранен

Балл: 1,00

Отметить вопрос

Текст вопроса

В состав варки чугуна входят процессы:

Выберите один или несколько ответов:

чугунообразование за счет получения цементита, растворения его и углерода в расплавленном железе

получение окислителей для окисления примесей

получение восстановителя (СО)

шлакообразование

восстановление оксидов железа

окисление неметаллических примесей (окисление избыточного углерода, фосфора и т. д.)

---

Дата добавления: 2015-07-12; просмотров: 1122 | Нарушение авторских прав

---

Читайте в этой же книге: Вопрос 9 | Вопрос 10 | Вопрос 20 | Вопрос 5 | Текст вопроса | Текст вопроса | Вопрос 8 | Вопрос 19 | Вопрос 25 | Вопрос 1 |

---

mybiblioteka.su — 2015-2020 год. (0.008 сек.)

Технологии производства чугуна постоянно совершенствуются

Чугун является сплавом железа, содержащим углерод. Его состав может кроме них включать марганцевые, фосфорные, кремниевые, серные и др. компоненты. Изначально материалами для производства чугуна служат железосодержащие руды, топливные материалы, флюсы. Как правило, в виде сырья для производств чугуна применяются железняки, имеющие в составе от 30 до 70% железа и прочих химических веществ в пустой породе, а также вредных серо- и фосфоросодержащих соединений. Топливным материалом для производства чугуна служит кокс, представляющий собой результат сухой, то есть без участия воздуха, переработки каменного коксугля. Применяемые флюсы, чаще всего это кварц, доломит, песчаники и известняки, позволяют снизить температуру расплавления пустой породы, а также привести ее вместе с золой от топлива к шлаку.

 

Доменное производство чугуна

 

Наибольшее применение нашел в производстве чугуна доменный процесс. Он включает ряд физических, физико-химических, а также механических проявлений, наблюдаемых в действующей доменной печи. Помещенные в эту печь исходные компоненты (кокс, железосодержащие материалы с флюсами) при прохождении всех операций преобразуются в сплав чугуна, выделяющиеся доменные газы со шлаками. Задача доменного производства чугуна – создание этого сплава из железосодержащих компонентов посредством их переплавления в доменных печах в очень высокой температуре. 

Поэтому доменный цех – один из важнейших в структуре завода по производству чугуна. Помимо этого производство чугуна в доменной печи – основа для изготовления стали, прокатных изделий – конечной продукции металлургического цикла других предприятий. Часть чугуна является товарным продуктом, поставляемым в твердом виде в форме небольших слитков (чушек). Их получают на разливочных машинах, установленных в стороне от доменного цеха в специальном разливочном отделении. Другая часть чугуна идет на производство сталей. Газ, получаемый в ходе процесса производства чугуна, используют в мартеновском и коксохимическом производствах в металлургии. Он служит основным топливом нагревательных устройств прокатных цехов, доменных воздухонагревателей.

 

 

Чугун выплавляется в печах, куда помещаются, чередуясь слоями, железосодержащие компоненты с флюсами, топливом. От воздействия своей массы они спускаются в низ печи, куда в особые отверстия подается подогретый воздух под определенным давлением. Он поддерживает нужные условия горения загруженного кокса. Технологический процесс производства чугуна предполагает восстановление железа, а также других элементов из их окислов. В процессе восстановления кислород отнимают от окислов и получают из них компоненты или окислы меньшего содержания кислорода.

Одним из ведущих способов производства чугуна считается восстановление железа от действия окиси углерода. Она образуется от сгорания в горне печи природного газа. Еще стоит отметить, что восстановление железа, предусмотренное технологией производства чугуна для данных печей, осуществляется постепенно, в процессе поэтапного извлечения кислорода из окислов. Доменный процесс предполагает, что в процессе восстановления железа участвуют как окиси углерода, так и непосредственно сам твердый углерод.

 

 

Определенное количество железа также восстанавливается с помощью водорода. В схеме производства чугуна восстановление железа от действия водорода или окиси углерода считается непрямым (то есть косвенным), а восстановление с помощью твердого углерода называют прямым. На самом деле восстановление железа в данном случае осуществляется двумя стадиями. К моменту достижения железорудным составом зоны распада доменной печи, где установилась температура около 1000°С и больше, окислы железа успевают частично восстановиться непрямым путем в зоне, где действуют менее высокие температуры. В результате их прямого разложения углеродом получается полное восстановление железа.

 

Производство высокопрочного чугуна

 

При производстве высокопрочного чугуна большое место отводится науглероживанию железа. Чугун с такими характеристиками образуется, когда восстановленное в доменной печи из рудного материала железо принимает в себя много углерода и прочих элементов. Начало процесса науглероживания железа характеризуется его образованием в губчатом состоянии на участке печи, где действует температура до 500°С. Только что восстановленное железо выступает в качестве катализатора, способствующего распаду окиси углерода на два компонента: двуокись и сажистый углерод. В итоге распада окиси углерода от температуры 550-650°С получаются карбиды железа, прочих металлов. Наделенный особой активностью, сажистый углерод активно вступает в химическое взаимодействие с частицами железа.

При температуре в 1000°С и больше карбид железа распадается на железо с углеродом. С ростом количества углерода температура в процессе плавления становится существенно ниже. Так, чистое железо расплавляется при температуре от 1539°С, а сплав его с углеродом способен плавиться уже от 1147°С. Плавление сплава происходит в зонах доменных печей, где действуют высокие температуры, то есть внизу шахты. Образующийся жидкий сплав и есть чугун. При стекании вниз он, омывая раскаленные части кокса, еще больше науглероживается.

 

 

Науглероживание металла завершается ниже уровня шлаковой летки – в металлоприемнике. Здесь на соотношение углерода с металлом оказывает влияние содержание других компонентов. Итоговое наполнение углеродом при производстве серого чугуна, например, может зависеть от стойкости карбидов, которая в большой степени определяется содержащимися в чугуне примесями. Например, примесь марганца способствует науглероживанию металла, так как он входит в состав карбида, растворяющегося в чугуне. Аналогичное действие оказывают ванадий, хром, титан. Кремний с фосфором или сера препятствуют образованию карбидов. Из-за этого ферромарганец и зеркальные чугуны всегда содержат больше углерода, чем чугуны передельные, ферросилиций или полученные в литейном производстве чугуны.

В ходе плавления восстанавливается не только само железо, но и ряд различных элементов, находившихся в рудной массе. В составе шихтовых материалов в печи, помимо окислов железа, поступают еще окислы и отдельные химические элементы, такие как марганец, хром, ванадий, титан, свинец, медь, цинк, мышьяк и др. Они в полностью или частично восстановленном виде вместе с частицами серы попадают в чугун и влияют на его свойства в худшую или в лучшую сторону. В основах производства чугуна считается, что чаще всего ценными примесями служат кремний с марганцем, а вредоносными – сера с фосфором.

 

 

 

Наличие в чугуне серных компонентов можно уменьшить до оптимального предела путем внедоменного обессеривания. Если выдержать чугун с 2% марганца в ковше-чугуновозе или миксере, то некоторый объем серы в различных ее соединениях с марганцем перейдет из состава металла в шлак. Это возможно благодаря уменьшению растворяемости данного соединения в металлах от снижения температуры. Подобное обессеривание в ковше чугуна может достичь 60%. Кроме этого существуют еще методы внедоменного обессеривания чугунов. В производствах чугуна в мире довольно часто в этих целях используют обессеривающие присадки, такие как известь, кальцинированная сода или металлический магний.

 

Особенности процесса производства чугуна

 

В процессе плавления в горн с общей смесью стекает расплавленный шлак. Благодаря его плотности, меньшей, чем у чугуна, он всплывает поверх него. Это явление наблюдается в районе распара печи. Первоначальный шлак получается от сплавления находившихся в пустых породах руд, а также флюсах окислов. При стекании вниз, в процессе накапливания шлак значительно меняется по составу. Благодаря реакциям с компонентами не полностью прогоревшего кокса, расплавляющегося чугуна в нем получают восстановление из своих окислов марганец с железом, а кроме того растворяются соединения серы, зола и кокс.

 

 

Равномерность работы доменных печей, качественное производство отливок из чугуна с его видом зависят от таких свойств шлака, как плавкость, вязкость, текучесть, температура плавления, серопоглотительная способность. Данные качества шлака продиктованы его химическим наполнением, минералогическими свойствами исходных шихтовых компонентов. Химическое содержание шлака предопределяет итоговый состав чугуна, этим объясняется тот факт, что для производства различных чугунов (литейного, передельного и др.) обычно выбирают шлак с определенными свойствами. Расплавленные шлаки и получаемый чугун поочередно выпускаются в особые отверстия – шлаковую и чугунную летки, сначала шлак, потом чугун.

 

 

Характеристики и виды чугуна

​В состав чугуна входят железо, углерод и разнообразные примеси, которые придают сплаву определенные свойства. Массовая доля углерода в материале должна быть не менее 2,14%, иначе это будет не чугун, а сталь. Этот элемент придает сплаву повышенную твердость, но снижает его ковкость и пластичность. Поэтому чугун является достаточно хрупким материалом. Из других постоянных примесей стоит выделить кремний, марганец, серу и фосфор. В некоторые марки чугуна вводят дополнительные присадки, которые позволяют придать сплаву дополнительные свойства. В качестве легирующих элементов используются хром, никель, ванадий и алюминий.

Плотность чугуна составляет 7,2 грамма на сантиметр кубический. Это является достаточно высоким показателем для металлов и их сплавов. Чугун отлично подходит для литья при производстве разнообразных изделий для всех отраслей промышленности. По этому показателю он незначительно уступает сталям некоторых марок, превосходя все остальные сплавы железа.

 

 

Температура плавления чугуна составляет 1200 градусов по Цельсию, что на 250-300 градусов ниже, чем необходимо для плавления стали. Это связано с повышенным содержанием углерода и как следствие его менее тесной связью с атомами железа на межмолекулярном уровне. При выплавке чугуна и последующей кристаллизации весь углерод не успевает внедриться в структурную решетку железа, поэтому чугун получается хрупким. Его не используют для производства продукции, которая будет эксплуатироваться под воздействием постоянных динамических нагрузок. Зато он идеально подходит для деталей, к которым предъявляется требование повышенной прочности.

 

Технология получения чугуна

 

Получение чугуна — очень материалоемкий процесс, требующий серьезных затрат. На получение одной тонны сплава уходит около 550 килограмм кокса и 900 литров воды. Затраты руды зависят от содержания в ней железа. Обычно используется сырье с массовой долей элемента не менее 70%, так как обработка более бедных руд экономически неоправданна. Такое сырье сначала проходит процедуру обогащения, а уже потом отправляется на переплавку. Производство чугуна проходит в доменных печах. Лишь около 2% от всего производимого в мире материала выплавляется в электропечи.

 

 

Технологический процесс состоит из нескольких взаимосвязанных этапов. На первом этапе в доменную печь загружают руду, которая содержит так называемый магнитный железняк (соединение двухвалентного и трехвалентного оксидов железа). Также в качестве сырья могут использоваться руды с содержанием водной окиси железа или его солей. Вместе с сырьем в печь загружают коксующиеся угли, которые предназначены для создания и поддержания высокой температуры. Кроме того продукты их горения принимают участие в химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Дополнительно в топку подает флюс, который выступает в качестве катализатора и помогает породам быстрее плавиться, освобождаю тем самым железо. Стоит отметить, что перед попаданием в доменную печь руда проходит специальную предварительную обработку. Они измельчается при помощи дробильной установки, так как мелкие частицы быстрее расплавятся. Затем ее промывают, чтобы удалить все лишние элементы, которые не содержать металла. После этого высушенное сырье проходит обжиг в специальных печах, который позволяет удалить из соединений серу и другие чужеродные элементы.

 

 

Когда доменная печь загружена и готова к эксплуатации начинается второй этап производства. После запуска горелок кокс начинает разогревать сырье, выделяя при этом углерод, который, проходя через воздух, реагирует с кислородом и образует оксид. Этот оксид активно участвует в восстановлении железа из соединений, находящихся в руде. При этом, чем больше газа становится в печи, тем слабее протекает химическая реакция. После достижения определенной пропорции она им вовсе прекращается. Избыток газов используется как топливо для поддержания температуры в печи. Такой подход имеет несколько положительных моментов. Во-первых, снижаются затраты ископаемого горючего, что несколько удешевляет производство продукции. А, во-вторых, продукты горения не выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее вредными примесями, а продолжают свое участие в технологическом процессе.

 

 

Избыток углерода смешивается с расплавом и, поглощаясь железом, образует чугун. Все не расплавившиеся элементы породы всплывают на поверхность и удаляются из материала. Отходы называют шлаком, который затем пойдет на производство других материалов. После удаления всех лишних частиц в расплав при необходимости добавляют разнообразные присадки. Таким способом получают два вида сплавов: передельный и литейный чугун.

 

Разновидности чугуна

 

Передельный материал используется для производства стали кислородно-конвертерным способом. Этот вид характеризуется низким содержанием марганца и кремния в составе сплава. Литейный чугун идет на производство разнообразной продукции. Он делится на пять разновидностей, который стоит рассмотреть более детально. Белый чугун является сплавом, в котором избыточная часть углерода содержится в виде цементита или карбида. Свое название он получил за характерный белый цвет в районе излома. Массовая доля углерода в нем составляет более 3%. Этот материал характеризуется повышенной ломкостью и хрупкостью, поэтому его использование весьма ограничено.

Применяется данный вид при производстве простых деталей, которые работают в статических условиях и не несут дополнительной нагрузки. Добавление в сплав легирующих присадок позволяет повысить технические характеристики материала. Для этих целей используется никель или хром, реже алюминий и ванадий. Марка данной разновидности, которая носит название «сормайт» используется в качестве нагревательного элемента в различных устройствах. Она обладает хорошими показателями удельного сопротивления и без проблем работает при температурах до 900 градусов по Цельсию. Из белого чугуна изготавливают ванны для бытовых нужд.

 

 

Серый чугун — наиболее распространенная разновидность материала, которая применяется во многих отраслях народного хозяйства. В этом сплаве углерод присутствует в виде графита, перлита или феррито-перлита. Массовая доля углерода находится на уровне 2,5%. Материал обладает высокой для чугуна прочностью, поэтому используется для производства деталей, имеющих циклическую нагрузку определенного уровня. Из него изготавливают втулки, корпуса различного промышленного оборудования, кронштейны, зубчатые шестеренки.

Графит значительно улучшает действие смазки и снижает влияние трения, так что детали обладают повышенной стойкостью к этому виду износа. При необходимости эксплуатации в агрессивных средах в состав серого чугуна вводятся дополнительные элементы, которые позволят выдержать негативное воздействие. К ним можно отнести никель, хром, молибден, бор, сурьму, медь. Эти элементы позволяют защитить чугун от влияния коррозии. Также некоторые из них повышают уровень графитизации свободного углерода в сплаве, что позволяет создать защитный барьер, через который не могут пробиться какие-либо разрушающие элементы.

 

 

Половинчатый чугун является промежуточным материалом между первыми двумя разновидностями. В нем часть углерода содержится в виде графита, а часть — в виде карбида. Также в сплаве могут в незначительных долях присутствовать цементит (до 1%) и лидебурит (до 3%). Массовая доля углерода в материале составляет 3,5-4,2%. Эта разновидность используется для производства деталей, которые будут проходить эксплуатацию в условиях постоянного трения. К ним относятся тормозные колодки для автомобильной промышленности и разнообразные измельчительные валки для станков. Для повышения износостойкости в сплав по традиции вводятся легирующие присадки.

 

 

 

Ковкий чугун является разновидностью белого сплава, который был подвергнут специальному отжигу с целью графитизации свободного углерода в составе материала. Этот вид обладает улучшенными демпфированными свойствами по сравнению со сталью. К тому же он менее чувствителен к надрезам и хорошо проявляет себя в работе при низких температурах. Углерод, массовая доля которого составляет до 3,5%, находится в сплаве в виде феррита, феррито-перлита или зернистого перлита с вкраплениями графита. Используется данный материал в автомобильной промышленности для изготовления деталей, работающих в условиях постоянного трения. Для повышения его эксплуатационных характеристик в сплав добавляют магний, бор и теллур.

Высокопрочный чугун получается в результате образования в сплаве шаровидной формы включения графита в металлическую решетку. Это ослабляет металлическую основу кристаллической решетки и приводит к появлению улучшенных механических свойств. Процесс образования шаровидного графита производится путем введения в сплав магния, церия, иттрия и кальция. По своим техническим характеристикам материал очень близок к высокоуглеродистой стали. Он хорошо поддается литью и способен заменять стальные литые элементы в механизмах. Высокий уровень теплопроводности позволяет использовать данный вид при изготовлении отопительных приборов и трубопроводов.

 

Какие трудности испытывает чугунная промышленность?

 

Перспективы развития чугунной промышленности выглядят не особо радужно. Высокий уровень затрат на производство одной тонны материала и большое количество отходов заставляют промышленников искать более дешевые заменители. Быстрое развитие науки уже сейчас позволяет получать лучшие сплавы при меньших затратах. А в условиях глобальной экологической опасности не обращать внимания на загрязняющий фактор производство недопустимо. Поэтому металлурги по всему миру отказываются от доменных печей в пользу электрического оборудования.

 

 

Но перевести выплавку чугуна на эти рельсы в кратчайшие сроки физически невозможно. Это потребует колоссальных финансовых затрат, которые не потянет ни одно государство. Так что остается лишь ждать, как скоро промышленники сумеют наладить массовый выпуск новых сплавов. Полностью отказаться от чугуна в ближайшие десятилетия, конечно, не получится, но его мировое производство неуклонно будет снижаться. Эта тенденция наблюдается уже в течение последних 5-7 лет.

Что такое чугун — формула, состав, виды и преимущества

Что такое чугун

Чугун  — это сплав железа (Fe) и углерода (C), при этом содержание углерода в сплаве составляет 2,14% и выше. Но при выплавке чугуна, в сплав всегда попадают примеси, а также добавляются легирующие элементы, поэтому данное соотношение всегда относительно, и может изменяться.

По содержанию углерода относительно эвтектики различают три вида чугуна. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.

Содержание углерода в чугуне ориентировочно составляет 4,3%. Поэтому он подразделяется на следующие виды:

• доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;
• эвтектический — 4,3% углерода;
• заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.

 

Формула чугуна

Типичный состав чугуна имеет следующие составляющие:

• Железо (Fe)  — основа чугунка
• Углерод (С) – 1 — 4,5%
• Кремний (Si) – 0,2 – 3,75%

 

• Марганец (Mn) – 0,2 – 1,75% (вредная примесь)
• Фосфор (Р) – 0,1 – 1,2% (вредная примесь)
• Сера (S) – 0,02 – 0,08% (вредная примесь)

 

• Хром (Cr) (легирующий компонент)
• Никель (Ni) (легирующий компонент)
• Молибден (Mo) (легирующий компонент)

 

Виды чугуна

В основном чугун классифицируют по форме углерода, который содержится в сплаве.

Белый чугун

Белый чугун имеет характерный окрас скола, так как углерод (С) входит в состав в виде цементита (Fe3C), который образуется когда расплав остывает. Цементит – это твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектическом сплаве углерод содержится в перлите и ледебурите. В эвтектическом сплавеуглерод входит в состав ледебурита. В заэвтектическом он содержится в первичном цементите и ледебурите.

В первоначальном виде он нигде не используется, т.к. его тяжело обрабатывать инструментами при механической обработке. Конечно, возможно использовать насадки из карбидов (ВК), но трудоемкость процесса очень велика. Поэтому белый чугун используется в качестве сырья для получения ковкого чугуна.

Серый чугун

Серый чугун также берет свое названия от оттенка на сколе. Он имеет в составе фракции графита, которые могут иметь разную форму. При добавке кремния, он способствует осаждению углерода.

Физико-механические свойства, а также структура серого чугуна, зависят от условий остывания после кристаллизации.

Быстрое охлаждение приведет к преобладанию перлита в составе чугуна. Закалка (другими словами термообработка) может повысить прочность и твердость, но при этом чугун становится хрупким, что может быть не приемлемо.

Медленное остывание приводит к росту содержания феррита. Феррит – это сплав железа с оксидами, в основном с Fe2O3. При таких условиях улучшается пластичность.

Поэтому условия, при которых остывает сплав, выбирают, ориентируясь на желаемые параметры конечного продукта.

Серый чугун используется для литых изделий и конструкций (чугунного литья).

Он имеет невысокую температуру отвердения, хорошую жидкотекучесть, нет склоненности к образованию раковин. Серый чугун хорошо реагирует на сжатие, но плохо противостоит растяжению/изгибу. Это происходит из-за углеродных вкраплений, которые приводят к низкой трещиностойкости.

Маркировка серого чугуна состоит из символов СЧ (серый чугун) и цифры, которая обозначает предельную прочность в кг/мм2: например, СЧ35. В наиболее распространенных чугунах содержание углерода ниже 3,7%.

Ковкий чугун

Для производства ковкого чугуна, белый чугун нагревают до необходимой температуры, выдерживают определенное время, и потом медленно охлаждают (процесс называется «отжигом»). Это способствует процессу распада Fe3C и выделению графита с образованием феррита.

При этом включения углерода по не имеют схожести с аналогичными в сером чугуне. Поэтому стойкость к разрыву и ударная вязкость из-за этих различий характерна ковкому чугуну.

Маркировка ковкого чугуна состоит из букв «КЧ» и добавления цифр, которые указывают на допустимую прочность на растяжение в МПа х 10-1 и максимальное относительное удлинение. Например: КЧ 37-12.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун это вид серого чугуна, в котором графитовые образования имеют шаровидную форму. Из-за такой округлости включений кристаллическая решетка становится не склонна к образованию трещин.

Высокопрочные чугуны имеют ценные первичные свойства чугунов (стойкость к сжатию, жидкотекучесть и т. д.), при этом имеют характерные для сталей предел текучести при растяжении, трещиностойкость и пластичность.

Маркируется аналогично ковкому, но с буквами «ВЧ».

Передельный чугун

Передельный чугун используется как сырье для выплавки стали. При этом он может даже не покидать предприятие, где его произвели.

Специальный чугун

К таким видам чугуна относят антифрикционный чугун и легированный чугун.

Выпуск этих марок имеет не большой объем, примерно до 2% от всего впускаемого чугуна. Такие виды чугуна могут иметь в составе большое количество легирующих элементов. Сфера использования имеет ограниченные цели и специфические условия.

Антифрикционный чугун может использоваться для изготовления деталей, подвергающихся трению. Основным компонентом для легирования является хром, также могут использоваться никель, титан, медь и другие металлы. Он имеет высокую твердость (до HB 300) и низкий коэффициент трения (до 0,8 при отсутствии смазки).

Базовыми материалами для производства антифрикционного чугуна являются серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркируется соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ.

Достоинства и недостатки чугуна

Характеристики чугуна обсуждаются по сравнению со сталью, хотя, например, низкокачественная углеродистая сталь – это по сути тот же чугун.

По некоторым показателям (плотность, магнитные свойства, химическая реакция) эти ферросплавы практически идентичны, но имеют большие отличия в сферах применения.

Преимущества чугуна:

1. Низкая стоимость. Углерод появляется как часть процесса выплавки из руды. Поэтому если снижать его содержание, это приведет к удорожанию сплава.
2. Превосходные литейные качества. Расплав чугуна имеет хорошую текучесть, низкую усадку при кристаллизации и относительно низкую температуру плавления.
3. Изделия из чугуна имеют хорошую прочность, твердую поверхность, износостойкость.
4. Чугун, который используется в машиностроении, хорошо поддается обработке резанием.
5. Долговечность. Даже при применении в сантехнических и канализационных деталях.
6. Простота утилизации.

Недостатки чугуна:

1. Хрупкость. Мало пригоден для обработки давлением, из-за содержания углерода.
2. Плохая свариваемость. Технология сварки чугуна довольно сложна, большой риск возникновения дефектов.
3. Массивность изделий. Сложно изготавливать тонкостенные конструкции, стенки которых могут не выдержать собственного веса.
4. Окисляемость. Легко ржавеет во влажной среде, поэтому детали, которые используются на открытом воздухе, необходимо защищать от коррозии специальными средствами.

Обработка железа | Британника

Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали. Железная руда — один из самых распространенных элементов на Земле, и одно из основных ее применений — производство стали. В сочетании с углеродом железо полностью меняет свой характер и становится легированной сталью. Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотрите все видеоролики к этой статье

Обработка чугуна , использование процесса плавки для превращения руды в форму, из которой можно вылепить продукты.В эту статью также входит обсуждение добычи чугуна и его подготовки к плавке.

Железо (Fe) — относительно плотный металл серебристо-белого цвета и отличительными магнитными свойствами. Он составляет 5 процентов от веса земной коры и является четвертым по распространенности элементом после кислорода, кремния и алюминия. Он плавится при температуре 1538 ° C (2800 ° F).

Железо аллотропно, то есть существует в разных формах. Его кристаллическая структура может быть объемно-центрированной кубической (ОЦК) или гранецентрированной кубической (ГЦК), в зависимости от температуры.В обеих кристаллографических модификациях основная конфигурация представляет собой куб с атомами железа, расположенными по углам. Есть дополнительный атом в центре каждого куба в модификации ОЦК и в центре каждой грани в ГЦК. При комнатной температуре чистое железо имеет ОЦК структуру, называемую альфа-ферритом; это сохраняется до тех пор, пока температура не поднимется до 912 ° C (1674 ° F), когда он трансформируется в структуру с ГЦК, известную как аустенит. При дальнейшем нагревании аустенит остается до тех пор, пока температура не достигнет 1394 ° C (2541 ° F), после чего снова появляется ОЦК-структура.Эта форма железа, называемая дельта-ферритом, сохраняется до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления.

Чистый металл податлив, и ему легко придать форму путем удара молотком, но, помимо специальных электрических применений, он редко используется без добавления других элементов для улучшения его свойств. В основном он появляется в сплавах железа с углеродом, таких как стали, которые содержат от 0,003 до примерно 2 процентов углерода (большая часть находится в диапазоне от 0,01 до 1,2 процента), и чугуны с содержанием углерода от 2 до 4 процентов.При содержании углерода, типичном для сталей, образуется карбид железа (Fe ₃ C), также известный как цементит; это приводит к образованию перлита, который в микроскоп можно увидеть как состоящий из чередующихся пластин альфа-феррита и цементита. Цементит тверже и прочнее феррита, но он гораздо менее податлив, поэтому за счет изменения количества углерода можно получить очень разные механические свойства. При более высоком содержании углерода, типичном для чугунов, углерод может выделяться либо как цементит, либо как графит, в зависимости от условий производства.Опять же, получается широкий спектр свойств. Эта универсальность железоуглеродистых сплавов приводит к их широкому использованию в технике и объясняет, почему железо является самым важным из всех промышленных металлов.

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

История

Есть свидетельства того, что метеориты использовались в качестве источника железа до 3000 г. до н. Э., Но извлечение металла из руд датируется примерно 2000 г. до н. Э. Производство, по-видимому, началось в медеплавильных регионах Анатолии и Персии, где использование соединений железа в качестве флюсов для облегчения плавления могло случайно вызвать накопление металлического железа на дне медеплавильных печей.Когда производство чугуна было должным образом налажено, вошли в употребление два типа печей. Чашечные печи были построены путем вырытия небольшого отверстия в земле и размещения воздуха из сильфона, который вводился через трубу или фурму. С другой стороны, каменные шахтные печи полагались на естественную тягу, хотя иногда и использовали фурмы. В обоих случаях плавка включала создание слоя раскаленного угля, в который добавляли железную руду, смешанную с дополнительным количеством древесного угля. Затем произошло химическое восстановление руды, но, поскольку примитивные печи не могли достигать температуры выше 1150 ° C (2100 ° F), нормальным продуктом был твердый кусок металла, известный как блюм.Он мог весить до 5 килограммов (11 фунтов) и состоял из почти чистого железа с некоторым уловленным шлаком и кусками древесного угля. Затем для изготовления железных артефактов потребовалась операция формования, которая включала нагревание цветов в огне и удары молотком по раскаленному металлу для изготовления желаемых объектов. Изготовленное таким образом железо известно как кованое железо. Иногда кажется, что было использовано слишком много древесного угля, и сплавы железа с углеродом, которые имеют более низкие температуры плавления и могут быть отлиты в простые формы, были изготовлены непреднамеренно.Применение этого чугуна было ограничено из-за его хрупкости, и в раннем железном веке, похоже, только китайцы использовали его. В других странах предпочтительным материалом было кованое железо.

Хотя римляне построили печи с ямой, в которую можно было сливать шлак, до средневековья мало что изменилось в методах производства железа. К 15 веку многие блюмеры использовали невысокие шахтные печи с водяной силой для приведения в действие сильфонов, а блюм, который мог весить более 100 килограммов, извлекался через верхнюю часть шахты.Последней версией такого цветущего очага стала каталонская кузница, просуществовавшая в Испании до 19 века. Другая конструкция, высокая печь для обводки, имела более высокую шахту и превратилась в 3-метровую (10 футов) высоту Stückofen , которая давала такие большие блюмэны, что их приходилось удалять через переднее отверстие в печи.

Каталонский очаг или кузница, до недавнего времени использовавшаяся для плавки железной руды. Показаны способ загрузки топлива и руды и примерное положение сопла, снабжаемого воздухом сильфоном. От H.E. МакГаннон (ред.), Изготовление, формовка и обработка стали, , 9-е изд., Авторское право 1985 Ассоциацией инженеров черной металлургии

Доменная печь появилась в Европе в 15 веке, когда стало ясно, что чугун может быть использован для изготовления моноблочных ружей с хорошими характеристиками удержания давления, но было ли ее появление связано с китайским влиянием или было самостоятельной разработкой, неизвестно. . Поначалу разница между доменной печью и Stückofen была незначительной.Оба имели квадратное поперечное сечение, и основные изменения, необходимые для работы доменной печи, заключались в увеличении соотношения древесного угля и руды в шихте и выпуске летки для удаления жидкого железа. Продукт доменной печи стал известен как чугун из-за метода литья, который включал пропускание жидкости в главный канал, соединенный под прямым углом с рядом более коротких каналов. Все это напоминало свиноматку, кормящую свой помет, и поэтому отрезки твердого железа из более коротких каналов были известны как свиньи.

Несмотря на военный спрос на чугун, для большинства гражданских применений требовался ковкий чугун, который до этого производился непосредственно в блочном цехе. Однако появление доменных печей открыло альтернативный производственный путь; это включало преобразование чугуна в кованое железо с помощью процесса, известного как чистовая обработка. Кусочки чугуна помещались на декоративный очаг, на котором сжигался древесный уголь с обильным притоком воздуха, так что углерод в чугуне был удален путем окисления, оставив после себя полутвердое ковкое железо.С 15 века этот двухэтапный процесс постепенно заменил прямое производство чугуна, которое, тем не менее, сохранилось до 19 века.

К середине 16 века в юго-восточной Англии доменные печи работали более или менее непрерывно. Увеличение производства чугуна привело к дефициту древесины для древесного угля и к его последующей замене углем в виде кокса — открытие, которое обычно приписывают Аврааму Дарби в 1709 году. Поскольку более высокая прочность кокса позволила ему поддерживать большую загрузку, стали возможны печи гораздо большего размера, и еженедельно производилось от 5 до 10 тонн чугуна.

Далее, появление паровой машины для привода выдувного цилиндра

.

Обработка железа | Britannica

Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали. Железная руда — один из самых распространенных элементов на Земле, и одно из основных ее применений — производство стали. В сочетании с углеродом железо полностью меняет свой характер и становится легированной сталью. Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотрите все видеоролики к этой статье

Обработка чугуна , использование процесса плавки для превращения руды в форму, из которой можно вылепить продукты.В эту статью также входит обсуждение добычи чугуна и его подготовки к плавке.

Железо (Fe) — относительно плотный металл серебристо-белого цвета и отличительными магнитными свойствами. Он составляет 5 процентов от веса земной коры и является четвертым по распространенности элементом после кислорода, кремния и алюминия. Он плавится при температуре 1538 ° C (2800 ° F).

Железо аллотропно, то есть существует в разных формах. Его кристаллическая структура может быть объемно-центрированной кубической (ОЦК) или гранецентрированной кубической (ГЦК), в зависимости от температуры.В обеих кристаллографических модификациях основная конфигурация представляет собой куб с атомами железа, расположенными по углам. Есть дополнительный атом в центре каждого куба в модификации ОЦК и в центре каждой грани в ГЦК. При комнатной температуре чистое железо имеет ОЦК структуру, называемую альфа-ферритом; это сохраняется до тех пор, пока температура не поднимется до 912 ° C (1674 ° F), когда он трансформируется в структуру с ГЦК, известную как аустенит. При дальнейшем нагревании аустенит остается до тех пор, пока температура не достигнет 1394 ° C (2541 ° F), после чего снова появляется ОЦК-структура.Эта форма железа, называемая дельта-ферритом, сохраняется до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления.

Чистый металл податлив, и ему легко придать форму путем удара молотком, но, помимо специальных электрических применений, он редко используется без добавления других элементов для улучшения его свойств. В основном он появляется в сплавах железа с углеродом, таких как стали, которые содержат от 0,003 до примерно 2 процентов углерода (большая часть находится в диапазоне от 0,01 до 1,2 процента), и чугуны с содержанием углерода от 2 до 4 процентов.При содержании углерода, типичном для сталей, образуется карбид железа (Fe ₃ C), также известный как цементит; это приводит к образованию перлита, который в микроскоп можно увидеть как состоящий из чередующихся пластин альфа-феррита и цементита. Цементит тверже и прочнее феррита, но он гораздо менее податлив, поэтому за счет изменения количества углерода можно получить очень разные механические свойства. При более высоком содержании углерода, типичном для чугунов, углерод может выделяться либо как цементит, либо как графит, в зависимости от условий производства.Опять же, получается широкий спектр свойств. Эта универсальность железоуглеродистых сплавов приводит к их широкому использованию в технике и объясняет, почему железо является самым важным из всех промышленных металлов.

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

История

Есть свидетельства того, что метеориты использовались в качестве источника железа до 3000 г. до н. Э., Но извлечение металла из руд датируется примерно 2000 г. до н. Э. Производство, по-видимому, началось в медеплавильных регионах Анатолии и Персии, где использование соединений железа в качестве флюсов для облегчения плавления могло случайно вызвать накопление металлического железа на дне медеплавильных печей.Когда производство чугуна было должным образом налажено, вошли в употребление два типа печей. Чашечные печи были построены путем вырытия небольшого отверстия в земле и размещения воздуха из сильфона, который вводился через трубу или фурму. С другой стороны, каменные шахтные печи полагались на естественную тягу, хотя иногда и использовали фурмы. В обоих случаях плавка включала создание слоя раскаленного угля, в который добавляли железную руду, смешанную с дополнительным количеством древесного угля. Затем произошло химическое восстановление руды, но, поскольку примитивные печи не могли достигать температуры выше 1150 ° C (2100 ° F), нормальным продуктом был твердый кусок металла, известный как блюм.Он мог весить до 5 килограммов (11 фунтов) и состоял из почти чистого железа с некоторым уловленным шлаком и кусками древесного угля. Затем для изготовления железных артефактов потребовалась операция формования, которая включала нагревание цветов в огне и удары молотком по раскаленному металлу для изготовления желаемых объектов. Изготовленное таким образом железо известно как кованое железо. Иногда кажется, что было использовано слишком много древесного угля, и сплавы железа с углеродом, которые имеют более низкие температуры плавления и могут быть отлиты в простые формы, были изготовлены непреднамеренно.Применение этого чугуна было ограничено из-за его хрупкости, и в раннем железном веке, похоже, только китайцы использовали его. В других странах предпочтительным материалом было кованое железо.

Хотя римляне построили печи с ямой, в которую можно было сливать шлак, до средневековья мало что изменилось в методах производства железа. К 15 веку многие блюмеры использовали невысокие шахтные печи с водяной силой для приведения в действие сильфонов, а блюм, который мог весить более 100 килограммов, извлекался через верхнюю часть шахты.Последней версией такого цветущего очага стала каталонская кузница, просуществовавшая в Испании до 19 века. Другая конструкция, высокая печь для обводки, имела более высокую шахту и превратилась в 3-метровую (10 футов) высоту Stückofen , которая давала такие большие блюмэны, что их приходилось удалять через переднее отверстие в печи.

Каталонский очаг или кузница, до недавнего времени использовавшаяся для плавки железной руды. Показаны способ загрузки топлива и руды и примерное положение сопла, снабжаемого воздухом сильфоном. От H.E. МакГаннон (ред.), Изготовление, формовка и обработка стали, , 9-е изд., Авторское право 1985 Ассоциацией инженеров черной металлургии

Доменная печь появилась в Европе в 15 веке, когда стало ясно, что чугун может быть использован для изготовления моноблочных ружей с хорошими характеристиками удержания давления, но было ли ее появление связано с китайским влиянием или было самостоятельной разработкой, неизвестно. . Поначалу разница между доменной печью и Stückofen была незначительной.Оба имели квадратное поперечное сечение, и основные изменения, необходимые для работы доменной печи, заключались в увеличении соотношения древесного угля и руды в шихте и выпуске летки для удаления жидкого железа. Продукт доменной печи стал известен как чугун из-за метода литья, который включал пропускание жидкости в главный канал, соединенный под прямым углом с рядом более коротких каналов. Все это напоминало свиноматку, кормящую свой помет, и поэтому отрезки твердого железа из более коротких каналов были известны как свиньи.

Несмотря на военный спрос на чугун, для большинства гражданских применений требовался ковкий чугун, который до этого производился непосредственно в блочном цехе. Однако появление доменных печей открыло альтернативный производственный путь; это включало преобразование чугуна в кованое железо с помощью процесса, известного как чистовая обработка. Кусочки чугуна помещались на декоративный очаг, на котором сжигался древесный уголь с обильным притоком воздуха, так что углерод в чугуне был удален путем окисления, оставив после себя полутвердое ковкое железо.С 15 века этот двухэтапный процесс постепенно заменил прямое производство чугуна, которое, тем не менее, сохранилось до 19 века.

К середине 16 века в юго-восточной Англии доменные печи работали более или менее непрерывно. Увеличение производства чугуна привело к дефициту древесины для древесного угля и к его последующей замене углем в виде кокса — открытие, которое обычно приписывают Аврааму Дарби в 1709 году. Поскольку более высокая прочность кокса позволила ему поддерживать большую загрузку, стали возможны печи гораздо большего размера, и еженедельно производилось от 5 до 10 тонн чугуна.

Затем, появление паровой машины для привода выдувных цилиндров означало, что доменная печь могла быть снабжена большим количеством воздуха. Это создало потенциальную проблему, заключающуюся в том, что производство передельного чугуна будет намного превышать возможности процесса оклейки. Ряд изобретателей пытались ускорить преобразование чугуна в ковкий чугун, но наиболее успешной из них был англичанин Генри Корт, запатентовавший свою печь для лужения в 1784 году. Корт использовал отражательную печь с угольным топливом для плавления шихты чугуна. к которому добавляли оксид железа, чтобы получить шлак.Встряхивание образовавшейся «лужи» металла привело к удалению углерода путем окисления (вместе с кремнием, фосфором и марганцем). В результате температура плавления металла повысилась, так что он стал полутвердым, хотя шлак оставался довольно жидким. Затем металл формуют в шарики и освобождают от максимально возможного количества шлака перед тем, как вынуть его из печи и сжать молотком. В течение короткого времени пудлинговые печи могли обеспечивать достаточно железа, чтобы удовлетворить потребности в оборудовании, но снова мощность доменных печей резко возросла в результате изобретения шотландцем Джеймсом Бомонтом Нильсена в 1828 году печи горячего дутья для предварительного нагрева дутья. воздух и осознание того, что круглая печь работает лучше, чем квадратная.

Окончательный спад в использовании кованого железа был вызван рядом изобретений, которые позволили печи работать при температурах, достаточно высоких для плавления железа. Тогда стало возможно производить сталь, которая является превосходным материалом. Сначала в 1856 году Генри Бессемер запатентовал свой конвертерный процесс для продувки воздуха через расплавленный чугун, а в 1861 году Уильям Сименс получил патент на свою регенеративную мартеновскую печь. В 1879 году Сидней Гилкрист Томас и Перси Гилкрист адаптировали преобразователь Бессемера для использования с фосфорным чугуном; в результате основной процесс Бессемера или Томаса получил широкое распространение на европейском континенте, где было много железных руд с высоким содержанием фосфора.В течение примерно 100 лет мартеновский и бессемеровский процессы совместно обеспечивали большую часть производимой стали, прежде чем они были заменены кислородными и электродуговыми печами.

Помимо впрыска части топлива через фурмы, в доменной печи с начала 19 века использовались те же принципы работы. Однако размер печи заметно увеличился, и одна большая современная печь может обеспечивать сталеплавильный завод до 10 000 тонн жидкого чугуна в день.

На протяжении 20 века было предложено много новых процессов производства чугуна, но только в 1950-х годах появились потенциальные заменители доменной печи. Прямое восстановление, при котором железная руда восстанавливается при температурах ниже точки плавления металла, берет свое начало в таких экспериментах, как процесс Виберга-Содерфорса, введенный в Швеции в 1952 году, и процесс HyL, введенный в Мексике в 1957 году. Некоторые из этих методов выжили. а те, что были, были значительно изменены.Другой альтернативный метод производства чугуна, восстановительная плавка, был предшественником электрических печей, используемых для производства жидкого чугуна в Швеции и Норвегии в 1920-х годах. В эту технологию вошли методы, основанные на кислородных конвертерах для производства стали, использующих уголь в качестве источника дополнительной энергии, и в 1980-х годах она стала центром обширных исследований и разработок в Европе, Японии и Соединенных Штатах.

.