Металлургия

Содержание:

Получение чугуна из руды
Виды чугуна

Получение чугуна из руды

Чугун получают из железных руд. Железные руды представляют горные породы, содержащие природные соединения железа - его окислы, или углекислую соль. Обыкновенно пользуются рудами, содержащими не менее 25 - 40% железа, иначе обработка руды не окупает издержек.
К ископаемым рудам относятся:

Магнитный железняк, содержащий до 70% железа в виде соединении окиси и закиси, образующего так называемую магнитную окись железа, нормальный состав которой Fe3O4. Эта руда чёрного или серо-стального цвета. В природе встречается редко. В России основные залежи магнитного железняка сосредоточены в районе Уральских гор.
Красный железняк содержит безводную окись железа, причём содержание железа в руде может также доходить до 70%. Самая чистая, богатая железом разновидность состоит из железного блеска - минерала темно-серого цвета, кристаллического сложения; более обыкновенная разновидность - тёмно-красного цвета. В России самые большие залежи красных железняков находятся в Херсонской и Екатеринославской областях.
Бурый железняк содержит железо преимущественно в виде водной окиси (2Fe2O3*3H2O). Эта руда весьма распространена в природе. В России добывается на Урале в некоторых центральных областях и на юге (Керченские бурые железняки). К бурым железнякам относят: обыкновенные бурые железняки; бобовые и оолитовые руды - в виде округленных зерен различной величины, иногда отдельных, иногда связанных глиною или кремнеземом; болотные и озерные руды - землистые, иногда отвердевшие массы, отложившиеся из воды. Последний вид встречается в северных областях России и Финляндии. Все бурые железняки восстановляются значительно легче красных и магнитных.
Шпатовый железняк содержит железо в виде углекислой соли (Fe2CO3). Обыкновенно эта руда, кроме железа, содержит марганец и другие металлы, и редко бывает испорчена присутствием фосфора; эти качества, а также лёгкая восстанавливаемость, делают ее весьма пригодной для выработки чугуна. Прежде, чем приступить к самой выплавке металла из руды, её подготовляют измельчением, промывкою, выветриванием, чаще же всего обжигом в кучах или в особых печах, например, вращательных. При обжиге руды удаляется часть содержащейся в ней серы.
Наибольшее распространение при выплавке чугуна получил доменный процесс, проходящий в доменных печах.
Доменная печь (домна) - шахтная печь высотой до 30 метров, шириной более 6 метров.

Стенки доменной печи выложены из огнеупорного (шамотного) кирпича, а снаружи кладка заключена в стальной кожух толщиной 20 - 40 мм. Смесь железной руды, кокса и известняка при помощи скиповой тележки или транспортёра подаётся в загрузочный бункер. Для загрузки в домну руды, флюсов и топлива, колошник снабжен особыми затворами, например, в виде воронки, закрываемой колоколообразным клапаном, который на момент засыпки приподнимается и затем снова закрывает колошник; цель затвора - предупредить выбрасывание из печи пламени при загрузке. По специальным трубам, через отверстия (фурмы) в области горна, в домну подаётся воздух. Кислород, содержащийся в воздухе, сжигая над фурмами топливо, даёт углекислый газ, большая часть которого, проходя через слои сильно нагретого топлива, обращается в окись углерода.
Сильно нагретая окись углерода поднимается вверх, к колошнику. Отработанные газы выводятся из домны через трубы расположенные в области колошника. Окись углерода восстанавливает находящуюся в руде окись железа, обращая её сначала в закись, а затем и в металлическое железо (чугун), причём восстановляющее действие окиси углерода ослабевает по мере разбавления её образующимся углекислым газом и, при известной пропорции их смеси, прекращается. Оксид углерода взаимодействует с раскаленной рудой: СО + Fе2Oз = 2FеО + СО2 и далее: FеО + СО = Fе + С02. Образовавшийся при плавке чугун оседает на дно печи, откуда по трубе, через специальное отверстие (лётку) разливается в специальные вагонетки и перевозится в место разлива чугуна в чушки. Содержание углерода в чугуне составляет 4 - 4,5%. Образующийся в результате плавки шлак, так же, по трубе выгружается в шлаковые котлы. Шлак, обычно, используется для изготовления шлакобетона.
Восстановленная на Украине старинная доменная печь	Современная доменная печь

Виды чугуна

Полученный чугун можно разделить на две большие группы: серый чугун и белый чугун.
Белый чугун (передельный) содержит весь углерод в химически связанном состоянии в виде карбида железа, именуемого цементитом Fе3С. 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.

К белым чугунам относятся:
Обыкновенный белый - содержит углерода до 3% и марганца до 1%.
Лучистый чугун - содержит углерода 3 - 4,5%, марганца 1 - 4%. Цвет белый, в изломе видно лучистое строение.
Зеркальный чугун (шпигель). Содержит углерода 4 - 5%, марганца 5 - 20%. Твёрд и очень хрупок. Употребляется как присадка при переделе обыкновенного белого чугуна.
Марганцовый чугун или ферроманган (ферромарганец). Содержит до 7,5% углерода и 30 - 85% марганца, так же как и предыдущий, употребляется лишь как присадка при получении литого железа (стали), для удаления кислорода, поглощенного во время процесса.

Серый чугун представляет сплав железа с углеродом и кремнием. Для отливки чугунных изделий служит исключительно серый чугун, довольно мягкий и вязкий по сравнению с белым чугуном, который настолько твёрд, что совершенно не допускает обработки стальными инструментами. 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. Содержит углерода С - до 3,8%.
В обычном сером чугуне 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). 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.

Высокопрочный чугун содержит шаровидный графит, 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 %).

Ковкий чугун содержит хлопьевидный графит. Его получают из белого чугуна путём графитизирующего отжига (томления), при котором происходит распад цементита. Хлопьевидный графит имеет почти равноосную компактную форму. Этот чугун разделяют на марки: КЧЗО-6, КЧЗЗ-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 (%).