4. Производство чугуна

Чугуном называют сплав железа с углеродом (2... 6,67 %), кроме них в состав сплава могут входить кремний, марганец, сера, фосфор и др. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. Наиболее часто применяемые железные руды: красный (Fe2O3), магнитный (Fe3O4), бурый (Fe2O3-nH2O), шпатовый (РеСОз) железняки, содержащие 30...70 % железа и пустую породу из различных природных химических соединений (SiO2, А12Оз и др.) и вредные примеси (серы, фосфора). Топливом служит кокс — продукт сухой перегонки (без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) — известняки, доломиты, кварц, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак. Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (оксидов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы руды.

Чугун выплавляют в доменных печах объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи — горн через отверстия — фурмы подают   под   давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива.

Кокс, сгорая в верхней части горна, образует СО2 ;[C+O2 = CO2), который поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: CO2-f-: -f-C=2CO. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа по схеме Fe2O3->-F3O4-»-FeO-> -HFe. Этот процесс может быть представлен следующими реакциями: 3F9Q3+ ;+ СО = 2F3O4 + СО2; 2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO>; 6FeO+6CO = 6Fe+6CO2.

 В нижней части печи часть восстановленного железа соединяется с углеродом и образуется карбид железа Fe3C (науглероживание железа). Затем происходит расплавление науглерржен-ного металла, который стекает в горн доменной печи, при этом насыщение железа углеродом продолжается. В результате плавления происходит восстановление не только железа, но и других элементов, находящихся в руде (Si, Mn, P), которые, а также часть серы в виде FeS переходят в чугун. В горн стекает также расплавленый шлак и всплывает над чугуном, так как его  плотность  меньше,   чем чугуна. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия — чугунную и шлаковую летки, сначала шлак, а затем — чугун.

Серый чугун наиболее распространенный материал для изготовления отливок. Имеет хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть, обеспечивающую изготовление отливок без усадочных раковин, пористости и трещин. Преобладающее кол-во отливок получают в песчаных формах. Отливки повышенной точности получают путем литья в оболочковые формы, в кокили. Т.к. серый чугун обладает высокими литейными свойствами это позволяет получать отливки без прибылей. Отливки широко применяются в станкостроении:станины, стойки, салазки; в автостроении: блоки цилиндров, гильзы, картеры; в тяжелом машиностроении.

Высокопрочный чугун. Высокие механические свойства.. Жидкотекучесть высокопрочного чугуна такая же, как у серого. Линейная усадка 1.25-1.7%. Это затрудняет изготовление отливок без усадочных дефектов. Отливки изготовляют в песчаных формах, в оболочковых формах, литьем в кокиль. Высокая усадка чугуна вызывает необходимость создания направленного затвердевания отливок для предупреждения образования усадочных раковин и пористости. Для предупреждения трещин применяют формовочные смеси повышенной податливости. Применяют в тяжелом и энергетическом машиностроении, в металлургической промышленности при работе в условиях больших статических и динамических нагрузках.

Ковкий чугун. Получают путем длительного отжига отливок из белого чугуна. Пониженная жидкотекучесть, усадка значительно больше, чем у серого поэтому больше образуется усадочных раковин, пористости и трещин.

Преимущественно изготовляют в песчаных формах. Для предупреждения образования усадочных раковин расплавленный чугун подводят к толстым местам отливки через прибыли. Для предупреждения образования трещин используют формовочные и стержневые смеси с высокой податливостью. Из за низкой жидкотекучести требуется высокая t заливки, поэтому формовочная смесь должна обладать повышенной огнеупорностью и газопроницаемостью.