Материалы для производства чугуна
Сырьём для производства чугуна является железная руда. Это горная порода, содержащая железо в количестве, при котором её технически и экономически целесообразно перерабатывать. Важнейшими железными рудами являются: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк и железистые кварциты. Наиболее богатые руды – это магнитный железняк, с содержанием железа до 70%, и красный железняк, с содержанием железа до 65%. В остальных железняках железа, примерно, 30…50%.
В рудах кроме оксидов железа находится пустая порода – кремнезем, глина, сера, фосфор и др. примеси. Их частично удаляют ещё до плавки, подвергая руду предварительному обогащению с целью увеличения содержания в ней железа. Обогащения производят промывкой и магнитной сепарацией. Промывка позволяет отделить от руды менее плотную пустую породу. Магнитная сепарация заключается в разделе измельченной руды в магнитном поле на железосодержащие минералы, обладающие магнитными свойствами, и немагнитную пустую породу. После обогащения полученный железорудный концентрат перерабатывается в кусковые материалы необходимого размера путём агломерации или окатывания. Агломерация – это спекание смеси, состоящей из мелкой руды, рудной пыли с коксовой мелочью и флюса. В результате получается кусковый пористый материал – агломерат. При окатывании этой смеси придают форму шариков – окатышей диаметром около 20 мм.
Продуктом, необходимым при плавке чугуна, являются флюсы, главным образом известнякCaCO3. Они служат для окончательного удаления пустой породы из руды в процессе плавки в доменной печи. Флюсы образуют с пустой породой и золой легкоплавкое соединение, называемое шлаком. Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над расплавленным металлом и может быть легко удалён.
При использовании агломерата и окатышей нет необходимости в отдельной подаче флюса, так как он входит в их состав.
Важным материалом для получения чугуна является топливо. Топливом является кокс. Его получают из специальных коксующихся каменных углей путём нагрева до температуры 1000ºС без доступа воздуха. При этом удаляется смола и остаётся пористый материал, почти целиком состоящий из углерода. Кокс – дорогостоящее топливо, поэтому в целях уменьшения его расхода, который составляет 400…450 кг на 1 т чугуна, и для повышения производительности доменных печей используют природный газ. Существует способ вдувания в доменную печь угольной пыли. Это даёт большой экономический эффект. Кроме указанных материалов при плавке чугуна вводят немного марганцевой руды.
2.4.2. Устройство
доменной печи
Доменная печь – вертикальная печь шахтного типа. Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом, сверху покрыта стальным кожухом. Высота современных домен достигает 80 м. Доменная печь состоит из пяти основных частей (рис.2.3): колошника, шахты, распара, заплечиков и горна. Колошник является верхней частью печи. Он содержит загрузочное устройство 4, представляющее собой систему конусов, которые создают условия для правильной загрузки материалов: руды, флюсов и топлива. В колошнике находятся газоотводные трубы 3, по ним уходит избыточный колошниковый газ, который в дальнейшем используется в качестве топлива.
В шахте, распаре, заплечиках имеется система холодильников для охлаждения кладки печи.
Самой сложной частью является горн. В горне расположены фурмы 2 – устройства для вдувания в печь нагретого воздуха, который поступает из воздухопровода 5. На современных доменных печах число фурм составляет 25…30. В нижней части горна имеется устройство для выпуска чугуна – чугунная летка 1 и выше её – шлаковая летка 6 для выпуска шлака. Большие доменные печи оборудованы тремя-четырьмя летками, этим достигается почти непрерывный процесс выпуска чугуна.
Для подогрева воздуха до температуры 1200º С служат воздухонагреватели, которые в свою очередь обогреваются отходящими колошниковыми газами.
Доменный процесс
Условно процесс, протекающий в доменной печи, можно разделить на следующие этапы:
− восстановление железа из его оксидов;
− превращение железа в чугун и
− шлакообразование.
Эти этапы проходят в печи одновременно, переплетаясь друг с другом, но с разной интенсивностью, на разных уровнях печи.
Процесс получения чугуна заключается в следующем: шихтовые материалы (железная и марганцевая руды, топливо и флюсы) опускаются вниз, а навстречу им поднимаются газы, образующиеся при горении кокса. Горение начинается в области горна. Через фурменные отверстия раскалённый до температуры 1200º С воздух поступает в печь и на уровне фурм вступает в реакцию с углеродом кокса. При горении образуется углекислый газ и выделяется большое количество тепла:
 |
По мере прохождения газа вверх содержание кислорода уменьшается, и окисление углерода становится неполным. Оно протекает по реакции:
В доменную печь вдувают также пар, который вступает в реакцию с коксом и окисляет его:
Одновременно происходит разложение флюса – известняка по реакции:
Важнейшим периодом доменного процесса является восстановление железа из его оксидов. Оно происходит постепенно по следующей схеме:
Одновременно идёт восстановление железа из оксидов за счёт твёрдого углерода по реакции:
|
Таким образом восстанавливается до 50% шихты. Твёрдый углерод (в виде сажи) откладывается в порах руды и науглероживает железо.
Наряду с процессами восстановления железа происходят реакции восстановления и других элементов шихты: кремния, марганца, фосфора. Марганец восстанавливается из марганцевой руды, специально вводимой в шихту.
В результате восстановления указанных элементов в доменной печи получается сложный сплав железа с углеродом, марганцем, серой и фосфором.
Пустая порода, зола, часть серы, кокса и примеси руды соединяются с флюсами, образуя шлак. Роль шлака в доменном процессе очень велика: от него в значительной степени зависит качество чугуна. Шлак является ценным продуктом доменной плавки. Он используется в строительстве жилых и промышленных зданий, для изготовления цемента, бетона, кирпича, для грунтовки дорог и даже как удобрение.
Основным показателем работы доменной печи является коэффициент использования её полезного объёма (КИПО). Для вычисления КИПО нужно полезный объём печи (м3) разделить на суточную выплавку (т). Этот показатель в среднем составляет (0,5…0,6) м3/т. Прогрессивная технология доменной плавки предусматривает уменьшение КИПО печи, а значит увеличение её производительности.
Классификация чугунов
Теоретически углерода в чугуне содержится от 2,14 до 6,67%. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5…4,5%. В качестве примесей чугун содержит кремний, марганец, серу и фосфор.
В зависимости от того, в какой форме углерод находится в чугунах, различают следующие их виды.
Белый чугун. В этом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме железо-цементит.
Серый чугун. В этом чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму (рис.2.4а)
Высокопрочный чугун в своём составе имеет графитные включения шаровидной формы (рис.2.4б).
Ковкий чугун имеет графитные включения в форме хлопьев (рис.2.4в).
Содержание углерода в виде цементита в сером, высокопрочном и ковком чугунах составляет не более 0,8%.
Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и применяется как передельный чугун, т.е. идёт на производство стали. Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого чугуна.
Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьём, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.
Таким образом, структура машиностроительных чугунов состоит из металлической основы и графитных включений.
По металлической основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлитный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов: прочность и твёрдость выше у перлитных, а пластичность – у ферритных.
Серый чугун. Получают серый чугун путём первичной кристаллизации из жидкого сплава. На графитизацию (процесс выделения графита) влияет скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизация не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются соответственно перлитный, феррито-перлитный и ферритный чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний. Содержание кремния в чугуне 0,5…5%. Марганец и сера препятствуют графитизации, сера ухудшает механические и литейные свойства, фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.
Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. Графитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металлическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низкие характеристики как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.
Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающим предел прочности в десятках мегапаскалей. Так, чугун СЧ35 имеет σв=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов СЧ10, СЧ15, СЧ20,…,СЧ45.
Высокопрочный чугун. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого. Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокую прочность и более пластичен, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.
Маркируются высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятках мегапаскалей. Например, чугун ВЧ60 имеет σв = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.
Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей – зубчатых колёс, валов и др.
Ковкий чугун. Его получают из белого чугуна путём графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950…970ºС. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита. Такой чугун называется также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (720…760ºС) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получиться ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.
Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности в десятках мегапаскалей и относительное удлинение в %. Так, чугун КЧ45-7 имеет σв = 450 МПа и δ = 7%. Благодаря хлопьевидной форме графитных включений он также характеризуется более высокой прочностью и пластичностью, чем серый чугун. Ферритные ковкие чугуны (КЧ33-8, КЧ37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ50-4, КЧ60-3) более высокую прочность.
Применяют ковкий чугун для изготовления деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.