ПОЛУЧЕНИЕ ЧУГУНА

Для выплавки железа из руды разработан доменный процесс с получением в нем чугуна, поступающего затем на выработку стали. Домна — высокая шахтная печь высотой до 30 м, шириной более 6 м. Стенки доменной печи выложены из огнеупорного кирпича, а снаружи кладка заключена в стальной кожух толщиной 20—40 мм. Загрузка рудой, коксом, флюсом послойная, причем обычно железо­рудный материал переводится в сыпучий агломерат. Схема работы доменной печи (рис. 19.1): в нижней части домны сгорает кокс: С + О₂ = СО₂. Углекислый газ, поднимаясь, соприкасается с раска­ленным коксом и переходит в оксид углерода: СО₂ + С = 2СО. Еще выше в шахте оксид углерода взаимодействует с раскаленной рудой: СО + Fe₂O₃ = 2FeO + СО₂ и далее: FeO + СО = Fe + CO₂. Чугун сте­кает в нижнюю часть домны. Из домны чугун выпускают через спе­циальное отверстие — летку. Первые капли чугуна образуются при температуре 1250°С и стекают между кусками кокса в горне. Темпе­ратура чугуна в домне равна 1480—1520°С. Содержание углерода в чугуне составляет 4—4,5%.

Флюсы играют роль плавня, способствуя переводу пустой поро­ды в шлак. Доменный шлак с содержанием в нем СаЗЮз легче чугу­на и собирается выше его с последующим выпуском наружу из дру­гого отверстия домны. Он служит ценным сырьем для производства различных строительных материалов.

Выделяющиеся из домны газы, именуемые колошниковыми, со­держат оксид углерода СО, поэтому как сгорающее топливо направляются для обогрева каналов кауперов домны и воздуха в них, который затем поступает в доменную печь и поддерживает в ней го­рение кокса. Каупер сложен из огнеупорного кирпича и заключен в железный кожух. Имеет нагреваемую насадку.

Рис. 19.1. Схема работы доменной печи

Запущенная в действие доменная печь функционирует непрерыв­но в течение нескольких лет. Руду, кокс и флюсы периодически до­бавляют через верхнее отверстие (колошник) печи. Также периоди­чески производится выпуск из нее чугуна и шлака — через каждые 4—6 ч. При этом 99—99,8% железа переходит в чугун и только 0,2—1,0% — в шлак. Кроме углерода в составе чугуна присутствуют элементы кремния, марганца, серы, фосфора и пр. По назначению доменные чугуны разделяют на литейный и передельный. Литейный чугун переплавляют, и из него отливают чугунные изделия. Из пере­дельного чугуна получают сталь. Он составляет около 90% всей вы­плавки чугуна. В нем содержится повышенное количество углерода, 0,3—1,2% Si, 0,2—1,0% Мn, 0,2—1,0% Р, 0,02—0,07% S.

Современная доменная печь может выплавлять 12000 т чугуна и выдает около 4000 т шлака, а также до 27000 т колошникового газа в сутки. Кроме процесса, осуществляемого в домне, существует вне-доменное производство железа, что относится к более прогрессив­ному способу. Он заключается в непосредственном получении желе­за из руды, минуя доменную печь. На производстве получают очень чистое металлическое железо без применения кокса. С этой целью при глубоком обогащении железных руд изготовляют концентраты с высоким содержанием железа (70—71,8%), почти полностью осво­божденные от серы и фосфора. Затем действуют твердым или газо­образным восстановителем, получая металлизованные окатыши. Если используют твердый восстановитель — углерод (в виде камен­ного угля), тогда — с обжигом в шахтной печи, трубчатой печи, ре­торте. Если используют газообразный восстановитель — природ­ный газ, тогда — с конвертированием газа в невысоких шахтных печах или ретортах. Способы металлизации могут быть и иными — в кипящем слое на решетке. Вследствие относительно низкой темпе­ратуры бездоменного процесса получаемое железо, обычно спечен­ное в куски, содержит меньше примесей. Чугуны обладают высоки­ми литейными свойствами, малой пластичностью. Они разделяются на белый и серый.

Белый чугун (передельный) содержит весь углерод в химически свя­занном состоянии в виде карбида железа, именуемого цементитом РезС. При нормальной температуре его структура слагается из двух фаз: феррита и цементита. Белым этот чугун называется потому, что в изломе он имеет матово-белый цвет. Белый чугун имеет высокую твер­дость и большую хрупкость, вследствие чего его невозможно обраба­тывать режущим инструментом. Его применяют, главным образом, для выплавки стали, а также для получения ковкого чугуна.

Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита (100% С); они называются серыми потому, что вследствие наличия в них графита имеют в изломе серый цвет. Содержание С — до 3,8%.

По форме графитовых включений серые чугуны разделяют на обычный серый с пластинчатым графитом, вермикулярный серый, высокопрочный и ковкий. По структуре металлической основы их разделяют на ферритный, ферритно-перлитный и перлитный.

Обычный серый чугун получают медленным охлаждением жид­кого расплава или аустенита высокоуглеродистых сплавов. В нем частицы графита имеют пластинчатую форму. В зависимости от ме­ханических свойств и назначения серый чугун с пластинчатым гра­фитом разделяют на марки: СЧ-25, СЧ-30, СЧ-35, СЧ-40, СЧ-45 (цифры показывают минимальный предел прочности при растяже­нии, кгс/мм²).

Вермикулярный серый чугун получают путем специальной плав­ки или обработки с изменением формы графита на волокнистую, червеобразную (вермикулярную), вследствие чего этот чугун обла­дает лучшими свойствами по сравнению с обычным серым чугуном. Высокопрочный чугун содержит шаровидный графит (рис. 19.2, а), получаемый при выплавке с присадкой небольшого количест­ва магния или церия. Благодаря шаровидной форме графита проч­ность при растяжении и изгибе высокопрочного чугуна значительно выше, чем обычного серого чугуна с пластинчатым графитом.

Высокопрочный чугун разделяют на марки: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ50-7, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2, ВЧ120-2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, первые числа за ними — мини­мальный предел прочности при растяжении (в кгс/мм²), а последую­щие числа — минимальное относительное удлинение (в %).

Рис. 19.2. Микроструктура высокопрочного ферритного чугуна с шаровидным графитом (а) (х250) и ковкого ферритного чугуна с хлопьевидным графитом (б) (х500)

Ковкий чугун содержит хлопьевидный графит (рис. 19.2, б). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига (том­ления), при котором происходит распад цементита. Хлопьевидный графит имеет почти равноосную компактную форму. Этот чугун разделяют на марки: КЧ3О-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ63-2. В обозначение марки входят буквы КЧ (ковкий чугун), затем число — минимально допустимый предел прочности при растяжении (кгс/мм²), второе число — относитель­ное удлинение (%).

Свойства серых чугунов зависят от свойств металлической осно­вы, вида и количества графитных включений.

Графит имеет низкие показатели механических свойств, и вклю­чения его можно условно рассматривать как пустоты и трещины. Чем больше графита, крупнее графитные включения, тем ниже ме­ханические свойства чугуна и особенно прочность при растяжении и изгибе. Прочность при сжатии и твердость чугуна зависят в основ­ном от металлической основы и мало отличаются от сталей.

В некоторых случаях графитные включения полезны благодаря смазывающему действию графита. Такой чугун легче обрабатывает­ся резанием, чем сталь, стружка становится ломкой, когда резец до­ходит до графитных включений.

Подобно другим железоуглеродным сплавам, чугуны содержат постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора в больших количествах, чем в сталях. Эти примеси оказывают значительное влияние на графитизацию, структуру и свойства чугунов.

В чугуны часто вводят также медь, алюминий, титан, хром, ни­кель. Эти элементы оказывают влияние на процесс графитизации. Подобно сталям такие чугуны называют легированными.

Серые чугуны применяют при изготовлении опорных элементов для ферм, железобетонных балок и колонн, тюбингов в метро, при производстве многих других строительных конструкций, а также находят широкое применение в деталях машин, не подвергающихся большим растягивающим напряжениям и ударным нагрузкам.