Принцип работы доменной печи

Рис.7

Конструкция доменной печи устроена таким образом, что шихта попадает в чашу через засыпное устройство, выполненного в виде небольшого конуса, расположенного вверху. Далее из чаши, попадая на большой конус при его опускании, шихта поступает в печь. Такая система не позволяет газу из доменной печи проникать в окружающую среду. После загрузки малый конус и воронка для приема сырья поворачиваются на угол, кратный 60 градусам. Это необходимо для того, чтобы шихта распределялась равномерно.

Металлургическая печь продолжает работать, шихта расплавляется и спускается дальше вниз, освобождая место для новых порций сырья. Полезный объем домны должен быть всегда полностью заполнен. Современная доменная печь может иметь полезный объем от 2000 до 50000 м³. Ее высота может достигать 35 м, что почти втрое больше ее диаметра. Такая конструкция придумана неслучайно: принцип работы доменной печи основан на движении материалов и газов навстречу друг другу, что позволяет увеличивать использование тепла до 85%.

Горн и лещадь выполняются из кирпича, имеющего в своем составе большое количество глинозема или из углеродистых блоков. Они расположены внутри стального кожуха и постоянно в процессе работы охлаждаются водой, поступающей по двум водопроводным системам из холодильников особой конструкции. Причем когда первая система работает, вторая в это время находится в резерве. Заплечики, шахта и распар изготавливаются из шамотного кирпича.

Колошник отделан плитами из стали, полости внутри которых полностью заполнены шамотом, а купол печи — плитами из чугуна.

Дополнительные элементы доменной печи

Рис.8

В процессе работы требуются вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие качественную плавку чугуна. Необходимыми являются устройства для подъема и загрузки исходного сырья в печь.

Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно при выпуске шлака и чугуна. Для этого приспособлены литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами. Нагрев воздуха для работы печи, высокая температура плавки при меньшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. К примеру, в печь, имеющую полезный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать в минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов. Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть постоянно влажным. Значение этого показателя регулируется при помощи автоматической системы.

Сжатый воздух, который необходим для сжигания топлива, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей достигает 25 МПа. Очистка колошникового газа происходит посредством газоочистителя.

Разновидность чугуна

Рис.10

Белый чугун

Таким чугуном называется тот, у которого практически весь углерод химически связан. В машиностроении этот сплав применяется не очень часто, потому что он твёрдый, но очень хрупкий. Также он не поддается механической обработке различными режущими инструментами, а потому используется для отливания деталей, которые не требуют какой-либо обработки. Хотя этот вид чугуна допускает шлифование абразивными кругами. Белый чугун может быть как обыкновенным, так и легированным.

Интенсивнее всего на твердость белого чугуна влияет углерод, который, собственно, и определяет количество карбидов.

Остальные элементы, оказывающие воздействие на его твердость, располагаются в такой последовательности (по убывающей): никель, фосфор, марганец, хром, молибден, ванадий, кремний, медь, титан, сера.

Такие элементы, как Ni, Mn, Cr, непосредственно участвуют в образовании мартенситно-карбидной структуры. Если их суммарное содержание примерно равно доле углерода, отливка белого чугуна имеет максимальную твердость.

Для белого чугуна характерно отсутствие прямой зависимости между твердостью и износостойкостью; в данном случае это разные качества. Износостойкость является определяющей характеристикой, и наилучшими ее показателями обладает белый чугун с особым строением металлической массы, в которой карбиды и фосфиды располагаются в виде отдельных равномерных включений или графически правильной сетки. Белый чугун нашел широкое применение в производстве деталей станков, оборудования и механизмов, работающих в условиях повышенного абразивного износа, при отсутствии смазки.

Легированный белый чугун обладает наряду с жаропрочностью и стойкостью к коррозии, еще и электросопротивлением. Эти характеристики обусловлены структурой его металлической массы, которая может быть карбидно-перлитной, карбидно-аустенитной и иметь в своем составе легированный феррит. Иными словами, качество отливки напрямую зависит от состава легирующих элементов и их концентрации. В большинстве случаев именно хром является главным легирующим элементом, образующим карбиды хрома и железа и связывающим углерод.

Половинчатый чугун

В структуре половинчатых чугунов содержатся одновременно и графит, и включения карбидов. Большое многообразие половин­чатых чугунов обусловлено тем, что в их структуре могут сочетаться графитные включения разной формы (от пластинчатой до шаровидной) с включениями карбидов различных видов (М3С, М7С3, М23С6, МС, М6С и др.) и разной термодинамической стабильности (от неустойчивого цементита до высоко устойчивых карбидов легирующих элементов). Наиболее перспективны для практического использования половинчатые чугуны с карбидами М3С (стабилизированными хромом), М7С3 (при повышенном со­держании хрома) и МС (при легировании ванадием). Наличие необходимого количества графита в структуре половинчатых чугунов обычно обеспечивается достаточным содержанием в них углерода и кремния. В связи с этим наибольшее применение могут найти хромо-кремниевые и ванадиево-кремниевые чугуны.

Хромо-кремневые ПЧ рекомендуется использовать как износостойкий, антифрикционный, жаропрочный, а в некоторых случаях и термостойкий материал. Из них можно изготавливать детали пресс-форм стекловыраба-тывающих машин, плунжерных пар ма­шин литья под давлением, штампов горячего деформирования и др.

Половинчатые хромо-кремневые чугуны. В структуре хромо-кремние-вых ПЧ имеются карбиды в виде легированного цементита или карбида М7С3. Образованию карбида М7С3 способствует легирование чугуна кремнием и небольшими добавками ванадия. Чтобы повысить устойчивость половинчатой структуры и обеспечить высокую дисперсность включений карбидов, чугун рекомендуется дополнительно легировать медью в количестве 0,8-1,5%. При необходимости сфероидизация включений графита может быть осуществлена с использованием тех же модификаторов, что и при получении высокопрочного чугуна.

Серый чугун

содержит в своем составе около 3,5% углерода, от 1,9 до 2,5% кремния, до 0,8% марганца, до 0,3% фосфора и менее 0,12% серы. Графит в таком чугуне имеет пластинчатую форму. При этом не требуется специального модифицирования. Пластинки графита имеют сильно ослабляющее действие и потому серому чугуну характерны очень низкая ударная вязкость и практически полное отсутствие относительного удлинения. Серый чугун хорошо подвергается обработке. Структура сплава может быть следующей: Феррито-графитовой, Феррито-перлито-графитовой, Перлито-графитовой.

Часто в процессе сварки происходит отбеливание чугуна, что придает ему высокую твердость и хрупкость в зоне сварки и делает его совершенно непригодным для механической обработки после сварки.

Встречаются сорта чугуна, практически совершенно не поддающиеся сварке, например так называемый горелый серый чугун, подвергавшийся длительному воздействию высокой температуры, кислот, пара и т. п.

Высокопрочный чугун

Чугун с шаровидным графитом принципиально отличается от других своих «собратьев» тем, что в нем содержится графит шаровидной формы. Количество графитных включений и их линейные размеры могут быть различными. Это вид чугуна по существу также является серым, но графит в нем имеет не пластинчатую, а почти правильную шаровидную форму. Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжения, чем пластинчатый, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Их получают модифицированием расплава магнием. Магний сводят в жидкий чугун перед разливкой в количестве 0,03-0,07%. По своим механическим свойствам (прочности, ударной вязкости) высокопрочные чугуны приближаются к сталям, сохраняя при этом хорошие литейные свойства, способность легко обрабатываться резанием, гасить вибрации, высокую износостойкость. Из этих чугунов отливают шестерни, цилиндры, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

Ковкий чугун

Структура ковкого чугуна заключается в наличии в нем графита в хлопьевидной или шаровидной форме. При этом хлопьевидный графит может иметь различную дисперсность и компактность, что, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на механические свойства чугуна. Такие выделения ослабляют металлическую основу меньше, чем пластинчатые, но больше, чем шаровидные. Поэтому по своей прочности ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным. Пластичность ковкого чугуна выше, чем у серого, но меньше, чем у высокопрочного.

Для получения ковкого чугуна вначале получают отливки белого чугуна, применяя рассмотренные выше приемы, устраняющие графитизацию (быстрое охлаждение, невысокое содержание углерода и кремния). Полученные отливки (структура – перлит + вторичный цементит + ледебурит) подвергают специальному графитизирующему обжигу. Для этого их медленно (20-25 ч) нагревают до 930-1000^оС (выше эвтектоидной, но ниже эвтектической температуры) и выдерживают при этой температуре 10-13 ч. В результате нагрева получают аустенит и цементит; последний, однако, является неустойчивым и при длительной выдержке распадается на аустенит и хлопьевидный графит. Далее отливки медленно охлаждают, при этом происходит распад вторичного цементита, образующийся графит присоединяется к уже имеющемуся. При температуре немного ниже эвтектоидной (720-740^оС) проводят вторую длительную выдержку, в процессе которой образовавшийся эвтектоидный цементит (цементит, входящий в состав перлита) распадается, давая феррит и дополнительное количество графита. В результате структура чугуна получается полностью равновесной, т.е. состоящей из феррита и графита.

Если после выдержки при 950-1000^оС чугуны охладить ускоренно (например, на воздухе), то графитизация эвтектоидного цементита не успеет пройти, и металлическая основа чугуна будет перлитной. Используя промежуточный режим охлаждения, можно получить ферритно-перлитную основу.

Ковкие чугуны обладают хорошим сочетанием прочности и пластичности. При этом ферритные чугуны имеют более высокую пластичность, а перлитные – более высокую прочность, твердость и износостойкость. Отливки из ковких чугунов применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры, редукторы, муфты и т.п.)

Области применения чугуна

В машиностроении широкое применение находит так называемый серый чугун, имеющий в своем составе графит. Изделия из этого металла почти не чувствительны к влиянию напряжений и хорошо поглощают колебания, возникающие при вибрациях машин и механизмов. На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок. Серый чугун отличается высокими литейными свойствами (для него свойственна низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и поэтому служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. Серый чугун отличается высокими литейными свойствами (для него свойственна низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и поэтому служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

Незаменим чугун в автомобильной промышленности. Из него получаются прочные и устойчивые к износу блоки цилиндров для двигателей. Для большей надежности в состав металла также включают специальные графитовые добавки. Такой усовершенствованный чугун может быть использован и при производстве коленчатых валов дизелей.

Металл, в котором часть углерода находится в связанном состоянии, идет на изготовление деталей, способных работать в условиях повышенного трения. Из такого чугуна делают высококачественные тормозные колодки, а также прокатные валки для бумагоделательных или мукомольных машин.

Еще одна область применения чугуна – производство сантехнических изделий. Из этого металла изготавливают трубы, радиаторы отопления, фитинги, кухонные мойки и раковины. До сих пор большим спросом пользуются ванны из чугуна, которые отличаются высокой прочностью, надежностью, практичностью и долговечностью.

Широко используют чугун для выполнения художественных изделий. Большинство набережных Санкт-Петербурга, к примеру, украшают элементы из чугунного литья. В городе на Неве можно нередко увидеть литые ажурные ворота и причудливые ограждения из этого металла. Встречаются также и чугунные памятники.

Заключение

В ходе выполнения работы было рассмотрено производство чугуна и выявлен основной способ его получения, виды топлива и материал, использующийся для создания различных видов чугуна. Были изучены этапы производства, назначение каждой операции, исследовано устройство и принцип работы доменной печи, основные виды вспомогательных устройств. После было изучено, какие существуют разновидности чугуна, их особенности и области применения.

Список литературы

Н. Н. Кропивницкий. - Ленинград : Лениздат, 1973. - 463 с. - (в пер.) : 1.12

http://fb.ru/article/258527/vidyi-chuguna-klassifikatsiya-sostav-svoystva-markirovka-i-primenenie

http://www.kakprosto.ru/kak-869864-gde-ispolzuyut-chugun

http://1poteply.ru/pechi/ustrojstvo-domennyh-pechej.html#oglavlenie0

https://www.syl.ru/article/169157/new_proizvodstvo-chuguna-marki-chuguna-tehnologiya-proizvodstva#image636898