Чугун: процесс производства, классификация и маркировка
В век бурного развития металлургической промышленности и производства чугун играет ключевую роль. Давайте разберемся, что это за материал, как он появился, как производится, какими свойствами обладает, какие виды классификации чугуна существуют, и каким образом он применяется в различных областях промышленности.
Определение
Чугуном называется смесь 2,14 % углерода с железом, полученная при термическом нагревании в доменных печах до 1200 градусов Цельсия. С помощью шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.
Помимо углерода, для получения особых параметров, в металлическую матрицу, добавляются такие элементы, как Si, Mg, P, S. Также широко применяются легирующие агенты – Cr, V, Ni, Al.
История
Технология изготовления чугуна пришла к нам из Китая, где «ходили» чугунные деньги еще в 10 веке нашей эры. Потомки монголов уже в 13 веке готовили котлы из этого сплава. На полях сражений в Столетней войне впервые применялись артиллерийские орудия и боеприпасы, отлитые из данного твердого раствора. В России его широкое применение в изготовлении оружия было налажено в 16 веке после появления доменной печи. В связи с этим, в 1701 году был построен Уральский чугунолитейный завод, который стал началом народного промысла, получившего название «Каслинское литье».
Начиная с 18 века Великобритания занимает пальму первенства по производству чугуна в мире. Благодаря новой технологии Уилкинсона, к середине 19 века в этой стране производилось половина всего мирового объема.
Технология изготовления не стояла на месте, что позволило Соединенным Штатам в конце 19 века вырваться вперед.
В то время из этого сплава начали изготавливать рельсы, водопроводные и канализационные трубы, камины, и такие сложные инженерно-строительные сооружения, как мосты.
Процесс производства чугуна
Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством. В качестве сырья используют 4 основных группы руд:
- Гематитовый железняк, состоящий из ангидридного оксида железа, держит 70% (Fe) и 30% (O);
- Магнетитовый железняк, содержит 72,4% (Fe), и 27,6% (O);
- Бурый железняк, содержит 59,8% элементарного железа;
- Сидеритовый железняк, содержит 48,3% (Fe).
Технологический процесс проходит в несколько этапов
Сначала, в процессе подготовки, измельчают железную руду с содержанием оксидов железа (FeO и Fe2O3) не менее 40% от общей массы. Затем путем дробления, грохочения, усреднения, промывки, обогащения и обжига, избавляются от неметаллических примесей – S, P, As, и поднимают массовую долю основного металла в руде.
По окончанию, подготовительного этапа, загружают все компоненты в печь.
Доменная печь представляет собой непрерывно действующее металлургическое оборудование в виде шахты, массой 30 тысяч тонн. Доменная печь состоит из 5 элементов: верхней части в форме цилиндра – колошника, широкой конической части – шахты, широкой части – распары, зауженной части – заплечиков и нижней части – горна. Загрузка всех компонентов производится сверху через колошник, а готовый продукт и шлак раздельно выходят снизу из горна.
Одновременно с рудой в домну помещают коксующиеся угли, выполняющие функцию топлива. В процессе термического разложения углей образуются соединения углерода, участвующие в качестве восстановительного агента. Для ускорения процесса высвобождения металла из руды добавляется флюсы. Обычно это горные породы, содержащий оксиды кальция и магния.
После окончания этапа загрузки начинается процесс выплавки, когда загруженные компоненты превращаются в сплав, шлак и газ. Физико-химические реакции, протекающие при этом можно охарактеризовать как восстановительно-окислительные, так как происходит восстановление окислов железа и окисление восстановительного агента.
Процессы протекающие в печи
Процессы, протекающие в доменной печи можно описать следующими химическими уравнениями:
При нагревании кокса происходит выделение элементарного углерода, который с кислородом образует углекислый газ.
С + О2 = СО2 + выделение энергии
CO2 при нагревании дальше окисляется до оксида углерода, и восстанавливает элементарное железо из его оксидов в руде.
Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2
После реакции восстановления, металл насыщается углеродом, а при достижении 1150-1200°С стекает уже в форме металлического компаунда в горн. Из остатков пустой руды и флюсов образуют отход — шлак, который непрерывно удаляется.
Параметры чугуна
Плотность — 7,2 г/см3. Температура плавления составляет 1200 °С. Хрупкость и малая пластичность сплава обусловлена следующими факторами:
- Увеличение длины связи, между атомами Fe, из-за повышенного содержания углерода;
- Неполное внедрение атомов углерода в структуру матрицы железа в связи с низкой, по сравнению со сталью, температурой плавления.
Именно по этим причинам, данный твердый металлический раствор нашел широкое применение в производстве деталей, обладающих высокой прочностью. Однако, он не подходит для продукции, подвергающейся нагрузкам, значения которых быстро изменяются во времени.
Классификация чугунов
Существуют несколько видов классификации чугунов.
- По содержанию элементарного углерода делятся на:
- доэвтектический (2,14-4,3 %);
- эвтектический (4,3%);
- заэвтектический (4,3-6,67%).
- По видам углерода, и цвету излома:
- Белый (С > 3%, в форме карбида). Его применение ограничено производством изделий, не подвергающихся большим нагрузкам, из-за значительной хрупкости. Но при добавлении легирующих присадок, содержащих хром, никель, ванадий, алюминий повышаются его эксплуатационные параметры;
- Серый (С -2,5%, в форме перлита) обладает хорошей износостойкостью и понижает силу трения. Применяется при изготовлении деталей промышленного оборудования, подвергающихся циклическим нагрузкам. При добавлении специальных присадок, имеющих в составе Mo, Ni, Cr, B, Cb, Sb улучшается стойкость при использовании в агрессивных средах;
- Половинчатый (С – 3,5-4,2%, в форме графита и карбида и наличие следовых количеств цементита и ледебурита). Такой вид нашел свое применение при производстве изделий, подвергающихся постоянному трению.
- По физическим параметрам, согласно ГОСТ 1412-54 и 1215-59, различают марки чугуна:
- Ковкий (КЧ), представляет собой его белую разновидность после специального обжига. При этом доля углерода находится на уровне 3,5%, и он представлен в форме Fe2O3 или зернистого перлита, с графитовыми включениями. В качестве присадок для повышения устойчивости к трению обычно добавляют Mg, Te, B. Следует отметить, данная марка никогда не подвергается ковке, в прямом смысле этого слова;
- Высокопрочный (ВЧ), образуется путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и введении в состав магния, кальция, селена, иттрия. Характеризуется улучшенными механическими, теплопроводными пластическими параметрами.
- По специфическим свойствам:
- Износостойкий;
- Антифрикционный;
- Коррозионностойкий;
- Жаростойкий;
- Немагнитный.
- По шкале твердости Бринелля:
- Мягкий (НВ менее 149);
- Умеренной твердости (НВ 149-197);
- Улучшенной твердости (НВ 197-269);
- Твердый (НВ более 269).
- По значению временного сопротивления при растяжении:
- Обыкновенной прочности (менее 20 кгс/мм2);
- Улучшенной прочности (20-38 кгс/мм2);
- Максимальной прочности (более 38 кгс/мм2).
- По магнитным характеристикам:
- Ферромагнитный — обладающий магнитными свойствами, из-за высокого содержания в металлической матрице феррита и цементита;
- Паромагнитный – обладающий малой магнитной проницаемостью, содержащий в своем составе присадки из хрома, меди и алюминия.
Маркировка
По Гостам, все существующие марки обозначаются 2 буквами и 2 числами, при этом числа отражают значения временного сопротивления (кгс/мм2) и относительного удлинения (%). К примеру, цифры в марке КЧ-30-6, показывают временное сопротивление — 30 кгс/мм2 и относительное удлинение — 6 %.
Путем введения в состав специальных добавок, модифицируют состав сплава. Тогда к названию марки прибавляется буква М.
Области использования
Применение различных марок чугуна зависит от металлургического компаунда и его эксплуатационных характеристик.
Белый вид используется в производстве нагревательных элементов и бытовой сантехники (ванн, раковин), а также является сырьем для получения ковких разновидностей твердых растворов.
Серый — входит в состав различных элементов двигателей для машиностроительной отрасли.
Ковкий – при изготовлении тормозных колодок и деталей для промышленного измельчительного оборудования. Кроме того, он имеет широкое применение в текстильной промышленности при отливке запасных частей сложной формы для оборудования. Применяется КЧ при изготовлении кухонной посуды, элементов интерьера, уличных фонарей, перил для лестниц.
Высокопрочный сорт применяется при производстве труб, фитингов для водоснабжения, канализации, нефтедобывающего производства. Кроме того, из него делают секционные радиаторы, эксплуатируемые в системах центрального отопления жилых домов и административных зданий.
Из ферромагнитного типа изготавливают электрощиты и другие составляющие электротехнического оборудования, а немагнитный его тип наоборот используется в качестве электроизолирующего материала.
В огромном количестве чугун используется как сырье на сталелитейных предприятиях.
Интересные факты
По мнению профессора Мариенбаха, свое название чугун получил от китайского слова – «чжугун», что в переводе означает «литейщик».
Чугунная посуда издавна используется по всему миру и очень удобна для приготовления различных видов пищи.
Неотъемлемым атрибутом русских народных сказок является печь, в которой в чугунке – сосуде определенной формы и отлитой из данного сплава, герои варили главное блюдо – картошку в мундире.
Самые лучшие блины получаются на чугунной сковородке.
До появления электрических утюгов, хозяйки использовали тяжелые чугунные утюги, с идеально гладкой подошвой нагревая её до красна, над источником огня.
Следующим этапом, были угольные чугунные утюги по своей конструкции напоминающие маленькие печки. Для их разогрева внутрь помещали березовый уголь. Такой утюг даже имел трубу для получения необходимой тяги.
Известные нам с детства канализационные люки для смотровых колодцев имели круглую форму, отливались из чугуна и были впервые изготовлены сто пятьдесят лет назад.
Производство чугуна во всем мире в 2015 году составило более 898 млн. тонн, что на 3% меньше чем в 2008 году.
Заключение
Подробно рассмотрев те вопросы, которые были поставлены выше, можно заключить:
Формула чугуна
?Однако для нас, современных, значительно важнее осознание беспрецедентности трудового подвига, понимание причастности к нему, надобности продолжать традиции.
В диалоге перед началом митинга, посвященного юбилейной дате комбината, начальник доменного цеха Александр Мавров высказал правильную мысль : « За десятилетия формула чугуна не изменилась – сплав железа с углеродом.
Но ведь это еще и сплав с людским нравом и мужеством : либо целую жизнь делать с редким металлом, либо сразу уходить в места поспокойнее ».
p-126853-gallery
КИНО/ВИНО@LoftWineBar Советская пропаганда в анимации
« Я родом из Магнитки, с комбината » – применительно к большинству горожан это, казалось бы, ставшее расхожим утверждение имеет самое непосредственное касательство.
Например, председатель городского Собрания Александр Морозов вспоминает собственного дедушку – орденоносца Зиновия Светлякова.
Тот целую жизнь отработал в знаменитой « шатилинской бригаде ».
Сидел на главной домне еще до битвы, во время нее и после.
Поэтому прозвучавшее накануне юбилея поздравление Президента РФ Владимира Путина адресует и ему, собственному деду — доменщику Зиновию Ивановичу.
Применение серого чугуна в станкостроении.
К главному классу отливок относятся базовые, корпусные и прочие подробности высокой крепости или износостойкости.
Чугун в доминирующих по толщине участках отливок, которые назначают в основном крепость и жесткость деталей, необходим иметь предел крепости на растяжение около 25 — 30 кГ/мм — и модуль упругости около ( 1, 15 — 1, 35 ) 10 4.
В зависимости от конкретных толщин стен для обеспечения в отливках этой заданной прочности рекомендуются для предпочтительного использования следующие марки серого чугуна : СЧ 21 — 40, СЧ 28 — 48, СЧ 32 — 52.
Распределительные валы ( табл.
39 ).
Тенденция к замене стальных распределительных валов литыми чугунными связана с длинными служебными свойствами низколегированного чугуна по сравнению со сталью, которые определяются особенностями структуры.
Наличие графита в чугунных кулачках способствует удержанию смазки, что само по себе уменьшает износ кулачков.
Меньший модуль упругости чугуна обусловливает и меньшие контактные напряжения в нем.
Наилучшей износостойкостью обладают распределительные валы из низколегированного чугуна, в структуре которого содержатся первичные карбиды в виде шипов, строк или ячеек.
При этом игольчатая структура карбидов наиболее желательна.
Последующая тепловая обработка ( закалка ) кулаков должна обеспечить наибольшую твердость, не изменяя структуры первичных карбидов.
Непозволительно содержание остаточного аустенита свыше 10%.
Металлическая матрица закаленного чугуна состоит из игольчатого мартенсита и обеспечивает надежное удерживание карбидных зерен при влиянии на них циклических нагрузок.
Химический состав чугуна должен обеспечить получение оптимальной исходной структуры в отливке и его хорошую прокаливаемость и закаливаемость.
Высокая твердость кулачков может быть извлечена и в литье ( отбеленные кулачки ), при этом носки кулачков оформляются кокилем.
Следует заметить, что распределительные чугунные закаленные валы более технологичны и обладают выше эксплуатационными свойствами.
Поэтому не по случаю на юбилейную вахту у горна наряду с сегодняшними работниками цеха : мастерами Валерием Юхловым, Юрием Зориным, старшим горновым Сергеем Крыгиным, горновыми Альбертом Хасановым, Ромазаном Жалкановым, Александром Михиным, Виктором Клемешевым, газовщиком Сергеем Атановым и другими специалистами – заступили ветераны — доменщики Николай Ерофеев, Хамит Хайбулов, Лев Маркелов, Василий Сапожников.
В этом факте и закономерность, и тот самый « удивительный » момент, о котором на митинге говорил вице-президент ООО « Управляющая компания ММК » по операционной деятельности–исполнительный директор ОАО « ММК », депутат Законодательного собрания Челябинской области Геннадий Сеничев :
Что такое чугун — формула, состав, виды и преимущества
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
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.
