При выплавке чугуна решаются задачи:

1. Восстановление железа из окислов руды, науглероживание его и удаление в виде жидкого чугуна определенного химического состава.
2. Оплавление пустой породы руды, образование шлака, растворение в нем золы кокса и удаление его из печи.

Устройство и работа доменной печи

Доменная печь имеет стальной кожух, выложенный огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник 6, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту. Шихту подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 шихта попадает в чашу 11, а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу.

Схема доменной печи

При работе печи шихтовые материалы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство подают новые порции шихты, чтобы весь полезный объем был заполнен.

Производство чугуна. Доменное производство чугуна. Технология производства чугуна. Процесс производства чугуна.

Полезный объем доменной печи – объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Полезная высота доменной печи (Н) достигает 35 м, а полезный объем – 2000…5000 м³.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух поступает из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка из огнеупорного кирпича, в которой имеются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный доменный газ, который, сгорая, образует горячие газы. Проходя через насадку, газы нагревают ее и удаляются через дымовую трубу. Через насадку пропускается воздух, он нагревается до температуры 1000…1200 ⁰С и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы 2 – в рабочее пространство печи. После охлаждения насадок нагреватели переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм природный газ и углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорают:

C + O₂ = CO₂ + Q
CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O_(пар) + Q

В результате горения выделяется большое количество теплоты, в печи выше уровня фурм развивается температура выше 2000 ⁰С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂ + C = 2CO – Q
H₂O + C = CO + H₂ – Q

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов. Для увеличения производительности подаваемый в доменную печь воздух увлажняется, что приводит к увеличению содержания восстановителя. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 300…400 ⁰С у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре около 570 ⁰С начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи. Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃ –> Fe₃O₄ –> FeO –> Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций. Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород. Восстановление твердым углеродом (коксом) называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

FeO + C = Fe + CO – Q

Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q
Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ – Q
FeO + CO = Fe + CO₂ + Q

За счет CO и H₂ восстанавливаются все высшие оксиды железа до низшего и 40…60 % металлического железа.

При температуре 1000…1100 ⁰C восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод. При насыщении углеродом температура плавления понижается и на уровне распара и заплечиков железо расплавляется (при температуре около 1300 ⁰С).

Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4%), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1200 ⁰C восстанавливаются из руды, и серой, содержащейся в коксе.

В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS. Шлак образуется постепенно, его состав меняется по мере стекания в горн, где он скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.

Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.

Чугун поступает в кислородно-конвертерные (см. Кислородный конвертер) или мартеновские цехи (см. Мартеновская печь), или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

К железным рудам относятся:

• магнитный железняк (Fe₃O₄) с содержанием железа 55…60 %, месторождения – Соколовское, Курская магнитная аномалия (КМА);
• красный железняк (Fe₂O₃) с содержанием железа 55…60 % , месторождения – Кривой Рог, КМА;
• бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃ * 3H₂O и Fe₂O₃ * H₂O) c содержанием железа 37…55 % – Керчь.

Марганцевые руды применяются для выплавки сплава железа с марганцем – ферромарганца ( 10…82% Mn), а также передельных чугунов, содержащих до 1% марганца. Mарганец в рудах содержится в виде окислов и карбонатов: MnO₂, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MnCO₃ и др.

Хромовые руды применяются для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов.

Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.

Флюсом является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃, так как в шлак должны входить основные оксиды (CaC, MgO), которые необходимы для удаления серы из металла.

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды.

Дробление и сортировка руд по крупности служат для получения кусков оптимальной величины, осуществляются с помощью дробилок и классификаторов.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в ее состав:

1. Промывка – отделение плотных составляющих от пустой рыхлой породы.
2. Гравитация (отсадка) – отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные минералы опускаются.
3. Магнитная сепарация – измельчённую руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы.

Окусковывание производят для переработки концентратов в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окусковывания: агломерацию и окатывание.

При агломерации шихту, состоящую из железной руды (40…50 %), известняка (15…20 %), возврата мелкого агломерата (20…30 %), коксовой мелочи (4…6 %), влаги (6…9 %), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300…1500 ⁰С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный агломерат.

При окатывании шихту из измельчённых концентратов, флюса, топлива увлажняют и при обработке во вращающихся барабанах она приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1200…1350 ⁰С.

Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса–известняка в доменную печь при плавке.

Соответственно в отбеленном слое различают:

а) зону чистого отбела, простирающуюся на глубину от поверхности отливки до появления первых включений графита – х;

б) переходную зону, простирающуюся на глубину от первых включений графита в зоне чистого отбела до последних включений карбидов в сером чугуне сердцевины – z.

Критерий качества отбеленной отливки Ак является отношением глубины зоны чистого отбела к сумме глубин чистого отбела и переходной зоны:

А_к = х /(х + z)

Критерий качества разработан применительно к валковому производству и наиболее полно характеризует эксплуатационные свойства отбеленных отливок; глубиной слоя чистого отбела определяется их износостойкостью, а глубиной общего отбела – прочность. Помимо этого, глубина общего отбела характеризует и эксплуатационные свойства отбеленных отливок со сложным профилем поверхности, получаемым путем механической обработки в пределах отбеленного слоя.

Структура рабочего слоя отбеленных отливок зависит для каждого из их типов от химического состава чугуна и технологии производства. Металлическая основа отбеленного слоя изменяется от перлитной при нелегированном чугуне до тонкоперлитной, включая сорбитную при низком легировании никелем (1,25-1,75% Ni), трооститно – сорбитную и трооститную при среднем легировании (2,5 – 3,0% Ni), до мартенситно – аустенитной при высоком легировании (3,5-4,5% Ni ). Соответственно изменяется характер кристаллов карбида и количество перлитокарбидной эвтектики.

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.

В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния – 0,5…0,8 %.

Углерод оказывает весьма большое влияние на эксплуатационные свойства отбеленных отливок; твердость их рабочего слоя возрастает с увеличением его содержания. Понижение содержания углерода способствует созданию более равномерных эксплуатационных свойств по всему сечению отливок, а его повышение, при неизменном составе чугуна по содержанию остальных элементов, вызывает заметное изменение эксплуатационных свойств по глубине рабочего слоя.

Содержание кремния является одним из главных факторов комплексных служебных свойств отбеленных отливок (их износостойкости и прочности) и основным средством их регулирования. Поэтому точное содержание его обычно не регламентируется, а устанавливается по технологическим пробам контроля плавок на отбел. Образцы таких проб имеют форму усеченного клина с канавкой на боковой поверхности для получения направленного излома. Размер проб назначаются в зависимости от плавильного агрегата, содержания углерода и серы в чугуне. Пробы заливают в песчаную форму, установленную на чугунном поддоне, и охлаждают поэтапно по определенному режиму в форме, на воздухе и в воде.

Твердость металлов. Твердость по Шору. Твердость по Бринеллю. Твердость по Виккерсу. Твердость по Роквеллу.

Надежным методом компенсации отрицательного влияния повышенного содержания углерода (графита) на прочность отливки в целом является модифицирование, особенно магнием.

Содержание серы, неблагоприятно влияющей на эксплуатационные свойства отбеленного чугуна, поддерживается на низшем уровне, в пределах 0,06-0,12%; в чугуне, модифицированном магнием, содержание серы снижается до 0,002-0,02%. Для предупреждения самополирования рабочего слоя в гладких мукомольных валах содержание серы повышается до 0,12-0,20%.

Незначительная присадка теллура весьма интенсивно повышает отбеливаемость чугуна и ввода 0,001% его эквивалента снижению содержания кремния на 0,04%.

Технологические свойства материалов (металлов). Эксплуатационные свойства материалов (металлов).

Повышенное содержание фосфора, сильно понижающего износостойкость и прочность отбеленного чугуна, допускается в связи с его способностью предотвращать образование горячих трещин в процессе кристаллизации отбеленного слоя.

Хром в количестве 0,15-1,5% используется для торможения процесса графитизации, что особенно существенно в производстве крупных отливок из отбеленного чугуна.

Присадки бора значительно улучшают качество рабочего слоя отливок и используются для регулирования твердости и глубины отбела; но начиная с 0,0003-0,0006% дальнейшее повышение его содержания увеличивает глубину отбела и после ввода 0,008-0,002% бора, количество серой составляющей в отливке стабилизируется. Влияние обработки чугуна присадками магния на глубину отбеленного слоя зависит от наличия в чугуне его избыточного количества и каждые 0,0025% магния увеличивабт глубину отбеленного слоя в среднем на 1мм.

Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.

Термическая устойчивость отбеленного чугуна выражается в сопротивлении его растрескиванию при многократном нагреве и охлаждении. Для увеличения термической устойчивости отбеленного чугуна рекомендуется создание такой структуры, в которой карбидная составляющая расположена изолированными областями в основной металлической массе.

Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.

Диаграмма железо-графит. Диаграмма состояния железо-графит.

Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.

Отжиг ковкого чугуна

Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000^оС в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита:

Fe₃C -> Fe_γ (C) +  C

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига). При медленном охлаждении в интервале 760…720^oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении (режим б, рисунок) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.

Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун).

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ30–6) и четыре с перлитной (КЧ65–3) основой (ГОСТ 1215).

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным (см. Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Состав высокопрочного чугуна.) является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы. Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.

Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на 10^-1, а второе – относительное удлинение – КЧ30-6.

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.
Графитизация. Процесс графитизации. Графитизация чугуна.

Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов – обратное.

Серый чугун. Свойства серого чугуна. Маркировка серых чугунов.

Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести, что выше предела текучести стальных отливок:

σ_m = 300 .. 420 МПА

Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность при перлитной основе:

σ_-1 = 230 .. 250 МПА

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов (см. кривошипные прессы, гидравлические прессы, винтовые прессы, КГШП) и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.

Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10^-1 ВЧ 100.

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.

Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.

В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Диаграмма железо-графит. Диаграмма состояния железо-графит.

Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении – блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10^-1 СЧ15.

Диаграмма железо-графит. Диаграмма состояния железо-графит.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов:

• серый – с пластинчатым графитом;
• высокопрочный – с шаровидным графитом;
• ковкий – с хлопьевидным графитом.

Отбеленный чугун

Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений

Классификация сталей
Маркировка сталей. Маркировка углеродистых сталей. Маркировка легированных сталей. Маркировка инструментальных сталей.

Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

Диаграмма железо-графит. Диаграмма состояния железо-графит.
Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

Возможны два пути образования графита в чугуне.

1. При благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.

2. При разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше 738^oС цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме:

Fe₃C -> 3Fe_γ (C) +  C (графит)

При температурах ниже 738^oС разложение цементита осуществляется по схеме:

Fe₃C -> 3Fe_α (C) +  C (графит)

При малых скоростях охлаждения степень разложения цементита больше.

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.

Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации. Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации. Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.

Структура чугунов зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.

Схема образования структур при графитизации

Выдержка при температуре больше 738^oС приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения – из перлита и графита.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. Эвтектоидное превращение. Эвтектическое превращение.

При незавершенности процесса первичной графитизации, выше температуры 738^oС структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита, графита и цементита.

При переходе через критическую точку превращения аустенита в перлит, и выдержке при температуре ниже критической приведет к распаду цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса – из перлита, феррита и графита.

Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна (см. Отбеленный чугун). Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8 %.

Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение (δ) для серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.
Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

Диаграмма состояния железо – графит показана штриховыми линиями на рисунке. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо – цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидного преврашений,соответственно, 1153^oС и 738^oС. Точки C, E, S – сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24%, 2,11% и 0,7 %, соответственно.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. Эвтектоидное превращение. Эвтектическое превращение.

Диаграмма состояния железо–графит

сплошные линии – цементитная система; пунктирные – графитная

При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния железо–цементит является метастабильной, а диаграмма железо–графит – стабильной. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.