Получение чугуна

Железоуглеродистыми сплавами называются сплавы железа с углеродом и некоторыми другими элементами (марган­цем, фосфором, серой и др.). I

Процессы получения железоуглеродистых сплавов называются металлургическими.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые спла­вы подразделяются на две группы — чугуны и стали. Если в железо­углеродистом сплаве содержится До 2% углерода, то его называют сталью, если более 2 % углерода, называют чугуном.

Наибольшее количество выплавляемого чугуна поступает на про­изводство стали, а некоторая часть доменного чугуна поступает на производство чугунных отливок.

Основным способом получения чугуна является доменный про­цесс, осуществляемый в специальных (доменных) печах. Доменная печь работает непрерывно до капитального ремонта в течение многих лет.

Для выплавки чугуна нужны железная руда, флюсы и топливо.

Железные руды

Железные руды представляют собой со­единение железа с кислородом (окись железа) и пустой породы (зем­листой примесью в виде песка, глины и известняка). Пригодность железной руды к плавке определяется содержанием в ней железа, составом пустой породы и количеством вредных примесей (сера, фос­фор и др.).

В производстве чугуна используются только те руды, в которых железа содержится не менее 30%. Железными рудами, имеющими особенно большое промышленное значение, являются магнитный, красный и бурый железняк.

Магнитный железняк (магнезит) — минерал черного цвета, содержащий железа 45-70%.

Красный железняк (гематит) — минерал вишнево-крас­ного цвета, содержащий от 55 до 60% железа.

Бурый железняк (лимонит) — минерал бурого цвета. Эта руда бедна железом (от 35 до 60%).

Флюсы — это различные минеральные вещества, добавляемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустых по­род, удаления золы и серы, а также остатков сгоревшего топлива. Флю­сы образуют с пустой породой и золой топлива легкоплавкие сплавы, которые отделяются от металла в виде шлака. Способствуя образова­нию шлаков, флюсы тем самым дают возможность отделить от металла пустую породу.

При наличии в руде песчано-глинистых примесей в качестве флюса применяют известняк, а при известковом составе пустой породы флю­сом служат вещества, содержащие кремнезем, кварц и песчаник. Топливом служит кокс, наилучшим считается кузнецкий, содержа­щий 0,5-0,6% серы и 12-13,5% золы. Эффективным заменителем кокса является природный газ.

Схема металлургического производства чугуна показана на рис. 16.

Схема металлургического производства

Схема металлургического производства

Чугун представляет собой сложный железоуглеродистый сплав, содержащий (%): углерода от 2,0 до 4,3, кремния 0,5-4,25, марганца 0,2-2,0, серы 0,02-0,20, фосфора 0,1-1,20.

Входящие в состав чугуна элементы определяют его структуру и свойства.

Углерод — важнейшая составляющая чугуна. Если углерод находится в сплаве в свободном состоянии в виде графита, то чугун ста­новится мягким и хорошо обрабатывается резанием. Если углерод находится в виде цементита т. е. в химически связанном с железом состоянии, то чугун имеет высокую твердость и плохо обрабатывается.

Кремний является важнейшей после углерода примесью в чугуне, способствует выделению углерода в виде графита. Он увеличи­вает жидкотекучесть чугуна при заливке и улучшает литейные свойст­ва чугуна, делает чугун более мягким.

Марганец влияет на чугун в направлении, обратном кремнию, так как связывает углерод в виде цементита. При небольшом содер­жании (до 1%) марганец очень полезен, так как повышает прочность чугуна.

Сера в чугуне является вредной примесью, так как вызывает явление красноломкости, заключающееся в том, что в отливках в горячем состоянии образуются трещины. Кроме того, присутствие серы ухудшает жидкотекучесть чугуна, так как делает его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.

Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость, т. е. способность отливок образовывать трещины в холодном состоянии. Для машиностроительного литья фосфор является вредной примесью. Содержание фосфора в ответственных отливках допускается до 0,1%, в менее ответственных -до 1,2%.

Фосфор оказывает и положительные действия. Он повышает жидко-текучесть чугуна. Благодаря этому фосфористый чугун с успехом применяется для изготовления чугунного литья, от которого не требу­ется высоких механических свойств, например для производства худо­жественного литья.

Кроме вышеуказанных примесей в чугун вводят специальные (легирующие) элементы. Такие чугуны называются легирован­ными.

Классификация чугунов

В зависимости от химического состава и назначения доменные чугу­ны делятся на передельные, специальные (ферросплавы) и литейные.

Передельный чугун (ГОСТ 805-69) предназначается для переработки на сталь в плавильных агрегатах, называемых кон­верторами, а также мартеновских и электрических печах. В зависимос­ти от способа переработки он называется мартеновским (М), бессеме­ровским (Б), томасовским (Т).

Специальные чугуны (ферросплавы) (ГОСТ 4834-49) выплавляют С высоким процентом кремния или марганца, применяют в качестве специальных добавок при выплавлении стали.

Литейный чугун (ГОСТ 4832-72) предназначается глав­ным образом для производства литых заготовок (литья). Он поступает в литейные цехи в виде небольших слитков (чушек) массой до 25 кг.

В зависимости от того, в каком состоянии и форме находится угле­род, чугуны разделяются на белые, серые, ковкие и высокопрочные.

Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии — в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердость, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом. Белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с по­следующим отжигом’на ковкий чугун.

Серый чугун

В сером чугуне весь углерод или большая его часть содержится в свободном состоянии — в виде отдельных включе­ний графита различной формы. Наличие углерода в свободном состоя­нии придает излому чугуна серый цвет и крупнозернистое строение.

Серый чугун маркируется буквенно-цифровой системой. Напри­мер, серый чугун марки СЧ 18-36 расшифровывается так: СЧ — серый чугун, первые две цифры 18 указывают на предел прочности при рас­тяжении в кг/мм2, следующие две цифры — предел прочности при изгибе в кг/мм2.

Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, обладает высокой износоустойчивостью. Недостатком серого чугуна является значительная хрупкость и малая пластичность.

Прочность серого чугуна можно увеличить, вводя в его состав специальные присадки (модификаторы). Полученный таким образом чугун называется модифицированным или высоко­прочным. В качестве модификаторов используют магний, церий, ферросилиций, силикокальций, алюминий и др. Модифицирование магнием, а затем ферросилицием позволяет получить магниевый чугун, обладающий прочностью литой стали и высокими литейными свойст­вами.

Из магниевого чугуна изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, напри­мер коленчатые валы легковых автомобилей.

Модифицированный чугун обозначается буквами СМЧ, к которым добавляются два числа, указывающих предел прочности при растяже­нии и изгибе.

Высокопрочный чугун является важным конструкцион­ным материалом, в котором сочетаются многие ценные свойства стали и чугуна. Этот чугун получают из серого чугуна модифицированием: перед разливкой в жидкий металл добавляют специальные присадки — модификаторы в количестве 0,01-0,03% от массы жидкого металла. Модификаторы раскисляют чугун и создают искусственные центры кристаллизации.

Высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ — высокопроч­ный чугун, за которыми следуют два числа. Первое из них указывает предел прочности при растяжении (кг/мм2), а второе (цифра) — удли­нение (%).

Ковкий чугун

Название «ковкий» условное, практически чугуны не куются. Ковкие чугуны получаются из отливок белого чу­гуна путем длительного отжига (томления) при высоких температурах.

Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении, невысокой пластичностью и высоким сопротивлением удару. По меха­ническим свойствам он занимает промежуточное положение между сталью и серым чугуном.

Марки ковких чугунов:

  • КЧ 30-6;
  • КЧ 33-8;
  • КЧ 35-10;
  • КЧ 37- 12 и др.

Буквы КЧ означают ковкий чугун, .первые две цифры указы­вают предел прочности при растяжении, последние цифры — относи­тельное удлинение при растяжении.

Из ковкого чугуна изготовляются детали сложной формы: картеры заднего моста, чашки дифференциала, ступицы колес грузовых автомо­билей, тормозные колодки и др.

Легированный чугун обладает улучшенными свойст­вами. Его получают, добавляя к серому или модифицированному чугуну небольшое количество никеля, хрома, молибдена и других элементов. Эти чугуны обладают повышенной механической прочностью, вязкостью и обрабатываемостью.

Чугуны со специальными свойствами обозначаются буквами СЧ, к которым добавляются два числа, указывающих предел прочности при растяжении и предел прочности при изгибе. Чугуны СЧ 32-52, СЧ 35-56, СЧ 38-60 применяются для изготовления деталей с высо­кой износоустойчивостью и твердостью (ковочные штампы, зубчатые колеса, тормозные барабаны, матрицы и пр.).