title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Получение чугуна

Получение чугуна

Устройство доменной печи. Выплавка чугуна из Железной руды происходит в доменной печи. Домна, или доменная печь, представляет собой высокую вертикальную шахту, имеющую форму двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями. Верхний и нижний конусы переходят у вершин в цилиндры. Нa рисунке 2 приведен схематический разрез доменной печи с обозначением отдельных частей ее и с указанном температурных интервалов.

Самая верхняя часть печи, где производится загрузка исходных материалов, называется колошником. Ниже, в виде расширяющегося конуса, расположена шахта, которая переходит в распар (самая широкая часть печи). Еще ниже находится конусная часть, суживающаяся книзу; она называется заплечиками. Самая нижняя часть доменной печи (цилиндрическая) называется горном.
В нижнюю часть горна — металлоприемник — стекает расплавленный чугун и шлак, которые периодически выпускают наружу. Дно горна называется лещадью. Стены печи выложены огнеупорным кирпичом (шамотом) и стягиваются снаружи железными кольцами или сплошным кожухом из листового железа.
Работа доменной печи протекает следующим образом. Домну загружают через колошник поочередно слоями топлива, железной руды и флюса (известняк). Исходные материалы, загруженные в печь для переплавки, принято называть шихтой.
В качестве доменного топлива обычно применяется кокс, а в качестве флюса — известняк. Топливо необходимо для расплавления железной руды, а известняк — для облегчения плавки пустой породы, попадающей в печь вместе с рудой.
Для поддержания горения топлива в доменную печь подается горячий воздух, нагретый до температуры 700—800°.
У дна горна находится забиваемое глиной выпускное отверстие для чугуна, называемое лёткой, а несколько выше — выпускное отверстие для шлака.
Пущенная в ход доменная печь работает непрерывно 5—7 лет и останавливается только для ремонта.
Для более удобного рассмотрения процессов, происходящих в доменной печи, нужно подразделить ее по высоте на пояса.
В доменной печи наблюдаются два движения: снизу вверх движутся газообразные продукты горения, а навстречу им опускаются сверху вниз топливо, руда и флюсы. Попадая в подготовительный пояс с температурой 200—400°, руда теряет влагу и разрыхляется. В этом поясе не происходит процессов, изменяющих состав руды; здесь она только подготовляется к расплавлению.
В следующем поясе, при температуре 400—800°, окись углерода, образующаяся при неполном сгорании топлива, отнимает от руды кислород; получается чистое железо, или, как говорят, железо восстанавливается. Поэтому пояс печи, в котором происходит указанный процесс, называется восстановительным.
Опускаясь ниже, восстановленное железо нагревается до температуры 900—1000° и растворяет в себе углерод, который получается из окиси углерода или непосредственно из раскаленного кокса. Процесс поглощения углерода железом называется науглероживанием или цементацией, а соответствующий ему пояс носит название пояса науглероживания. В результате процесса науглероживания железо поглощает до 6,7% углерода; полученный после этого сплав называют чугуном.
По мере опускания, образовавшийся чугун нагревается до температуры плавления 1000—1200° и переходит в жидкое состояние, вследствие чего он крупными каплями стекает вниз на дно. Чугун из доменной печи выпускается 5—6 раз в сутки через летку и направляется в ковши или разливочные машины. В ковшах перевозят расплавленный металл для переработки его в сталь. При помощи разливочных машин получают отливки, называемые чушками; их используют на машиностроительных и ремонтных заводах в качестве шихты при плавке чугуна в вагранках, а также в виде шихты для сталеплавильных печей при выплавке стали из чугуна.
Современные доменные печи имеют следующие размеры: высота 25—35 м, диаметр 7—10 м; производительность до 1500 т чугуна в сутки.
Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав. Примеси в металле разделяются на вредные и полезные. Из вредных примесей главное место в чугуне занимают сера и фосфор.
Сера — очень вредная примесь — попадает в чугун при плавке металла главным образом из топлива. Она сообщает расплавленному металлу густоплавкость, что препятствует хорошему заполнению литейной формы и способствует образованию усадочных раковин и отдельных твердых мест. В отливках с повышенным содержанием серы в процессе остывания часто образуются трещины, что называют красноломкостью. Содержание серы в чугунных деталях не должно превышать 0,1%.
Фосфор переходит в состав чугуна из руды. В противоположность сере фосфор увеличивает жидкотекучесть расплавленного металла; поэтому чугун с большим содержанием фосфора применяется главным образом для отливки тонких фасонных и художественных изделий. Однако фосфор увеличивает хрупкость отливок после их остывания, что называется холодноломкостью. В связи с этим в деталях, подвергающихся ударным нагрузкам, содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,2—0,3%.
Углерод — наиболее важная примесь в чугуне. В зависимости от количества и формы входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом чугуне он получается или в химически связанном с железом состоянии (белый чугун) или же в виде механической примеси к железу в форме мелких пластинок графита (серый чугун).
Кремний — полезная примесь в чугуне, которая способствует выделению углерода из чугуна в виде графита, содействуя при этом получению свойств мягкого серого чугуна.
Кремний попадает в чугун из кварцевого песка в процессе плавки. Допустимое содержание кремния в чугуне от 1,25 до 4,25%.
Марганец — переходит в металл из марганцовистой руды, которую в нужном количестве забрасывают в печь при плавке. Содержание марганца в чугуне допускается от 0,5 до 1,3%. Действие марганца противоположно действию кремния, так как он препятствует выделению углерода из чугуна в виде графита. Чем выше содержание марганца в чугуне, тем выше его твердость. Марганец является полезной примесью, так как удаляет окислы из металла и ослабляет вредное влияние серы.
Виды чугуна. Существуют следующие основные виды чугуна.
Белый чугун — это сплав, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом. В изломе этот чугун имеет мелкозернистое строение с зеркальной серебристо-белой поверхностью, откуда и получил свое название.
Белый чугун отличается высокой твердостью и хрупкостью, плохо обрабатывается режущими инструментами и применяется для изготовления деталей, от которых требуется высокая твердость и сопротивляемость износу (например, палец режущего аппарата комбайна, шары для мельниц и т. п.).
Главное назначение белого чугуна — дальнейшая переработка его в сталь, поэтому он называется передельным чугуном.
Серый чугун — это сплав, в котором большая часть углерода находится в виде графита.
Свежий излом серого чугуна имеет серую поверхность с зернистым строением, откуда и получил свое название.
Серый чугун отличается от белого низкой твердостью, меньшей хрупкостью, хорошей обрабатываемостью режущими инструментами. В расплавленном состоянии серый чугун жидкотекуч, хорошо заполняет форму. Благодаря этим свойствам его принято называть литейным чугуном.
Выплавляемый в доменной печи литейный чугун (табл. 1) применяется главным образом для переплавки в вагранках на машиностроительных и ремонтных заводах.

Обозначаются марки литейного чугуна буквами и цифрами. Первая буква JI указывает на название чугуна, то есть, что чугун литейный, вторая — на топливо, применяемое при выплавке (К — коксовый, Д — древесноугольный); цифры указывают среднее содержание кремния; чем меньше содержание кремния, тем выше цифра.
Из серого чугуна изготовляется большое количество деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин, например блоки цилиндров, головки блока, маховики, барабаны, корпуса коробок и задних мостов, поддерживающие ролики гусениц, поршни трактора «Универсал», СТЗ-НАТИ, ДТ-54 и ряд других деталей.
Ковкий чугун получается из отливок белого чугуна с последующим длительным (в течение нескольких десятков часов) нагревом — отжигом при высокой температуре (950—1000°). В результате длительного нагрева получается вязкий и легко обрабатываемый режущим инструментом материал, который и принято называть ковким чугуном. По виду излома ковкий чугун подразделяется на черносердечный и белосердечный.
Черносердечный ковкий чугун получается так: отливки из белого чугуна помещают в металлический ящик и засыпают их песком или шлаком (отжиг в нейтральной среде). В этом случае углерод сохраняется в сплаве и лишь выделяется в виде мелких включений графита; отсюда вид излома получается черносердечным.
Белосердечный ковкий чугун получается в случае отжига отливок белого чугуна в окислительной среде, то есть вместо песка и шлака применяют красный железняк, мелкую ржавую стальную стружку или окалину. Здесь значительное количество углерода из чугуна выгорает и вид излома получается белосердечным.
По своим механическим свойствам ковкий чугун занимает среднее место между чугуном и сталью и допускает при правке небольшие изгибы, но не куется.
Ковкий чугун применяется как наиболее удобный и дешевый материал для изготовления мелких или сложной формы деталей, не требующих высокой прочности, но которые должны обладать определенной вязкостью и противостоять ударным, повторно-переменным нагрузкам, давлению пара, воды, газа и т. п.
В автостроении из ковкого чугуна изготовляют шкивы вентиляторов, педали сцепления и тормоза, ступицы колес, детали заднего моста и др. В сельскохозяйственном машиностроении из ковкого чугуна изготовляют звенья цепей, детали сноповязального аппарата, гаечные ключи, детали карданных передач, втулки, коническую шестерню тракторной косилки и др.
Легированный чугун — представляет собой обычный серый чугун, в котором содержатся специальные примеси других металлов, например хрома, никеля, меди, вольфрама и др. Эти примеси повышают механические свойства чугуна, стойкость против коррозии и износоустойчивость. Из легированного чугуна изготовляют, например, седла выхлопных клапанов, гильзы цилиндров тракторных двигателей С-80 и КД-35 поршневые кольца и другие ответственные детали.
Специальные чугуны, или ферросплавы, имеют повышенное содержание кремния или марганца и применяются главным образом в качестве добавок для раскисления металла в сталеплавильных печах. Различают следующие сорта специальных чугунов:
а) зеркальный чугун — белого цвета, с лучистым изломом, с высоким содержанием марганца (10— 22%) и углерода 4—5%;
б) ферромарганец — темного цвета, с очень высоким содержанием марганца (75—85%) и углерода 5—6,5%;
в) ферросилиций — серого цвета, с содержанием кремния 10—14%.
В электропечах получают сорта чугуна с содержанием кремния от 25 до 85%.

title-icon Подобные новости