Под понятием «чугун» может подразумеваться как конструкционный материал на основе железа, так и металлический сосуд, округлый горшок для приготовления пищи. Последний попадается редко. Современная посуда теснит.
Совсем устарело слово «чугунка». Так в XIX – начале XX века называли железную дорогу.
Что такое чугун
Это сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14%. В идеальном случае. На деле помимо указанных всегда есть примеси и легирующие элементы. Так что разграничение «плавает».
В зависимости от содержания углерода относительно эвтектики выделяют разновидности металла. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.
Для чугуна содержание углерода ориентировочно составляет 4,3%. Почему «ориентировочно» – уже говорилось. Потому принято подразделять чугун на:
- доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;
- эвтектический — 4,3% углерода;
- заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.
Виды чугуна
В общепринятой классификации разделяют по форме содержащегося углерода.
Белый
Называется так из-за характерного окраса скола. Углерод C содержится в виде цементита (формула Fe3C), образующегося при остывании расплава. Твердый тугоплавкий материал.
В доэвтектических сплавах – в составе перлита и ледебурита. В эвтектических – в ледебурите. В заэвтектических – первичный цементит и ледебурит.
В исходном виде такой чугун практически не используется. Не поддается обработке инструментом из «быстрорежущей» стали. Только с насадками из карбидов (ВК), да и то с трудом.
Применяется в качестве сырья для получения ковкого.
Серый
Также именуется по оттенку на сколе. Содержит фракции графита различной формы. Осаждению углерода способствует добавка кремния.
Свойства и структура сильно зависят от условий остывания после кристаллизации.
Быстрое охлаждение даст преобладание перлита. Сплава феррита и карбида. Своеобразная «закалка» повысит прочность и твердость. И хрупкость, что не всегда приемлемо.
Щадящее остывание определяет рост содержания феррита. Сплава железа с оксидами, в основном с Fe2O3. Улучшится пластичность. Поэтому режимы подбирают исходя из требуемых параметров.
Серый чугун удобен для литых конструкций. Отличается невысокой температурой отвердения, хорошей жидкотекучестью. Не склонен к образованию раковин.
При всем этом, углеродные вкрапления обуславливают низкую трещиностойкость. Материал уверенно воспринимает сжимающие усилия, но совершенно непригоден при растяжении/изгибе.
В маркировке указываются символы СЧ и предельная прочность в кг/мм2: СЧ25. Наиболее распространены чугуны с содержанием C ниже 3,7%.
Ковкий
Для изготовления белый чугун нагревают до нужной температуры, выдерживают достаточное время и медленно остужают («отжиг»). Процесс провоцирует процесс распада Fe3C с выделением графита и появление феррита.
По форме включения углерода не похожи на аналогичные в сером чугуне. Этим объясняется появление некоторой стойкости к разрыву и ударной вязкости.
Маркируется «КЧ» с добавлением допустимой прочности на растяжение в МПа х 10-1 и максимального относительного удлинения. Пример: КЧ 35-11.
Высокопрочный
Вид серого чугуна, только графитовые образования по форме напоминают шарики. Округлость включений делает кристаллическую решетку не склонной к образованию трещин.
В результате ценные изначально свойства чугунов (стойкость к сжатию, удобство литья и т. д.) дополняются сравнимым со сталями пределом текучести при растяжении, появляется трещиностойкость, пластичность.
Маркируются аналогично ковким, но с обозначением «ВЧ».
Передельный
Используется как сырье для выплавки стали. Часто даже не покидает предприятия, где сделан.
Специальные
Выпуск таких марок невелик, до 2% от общего объема. Могут содержать значительное количество легирующих элементов. Предназначены для ограниченных целей и специфических условий. Распространены коррозионно и химически стойкие ферросплавы.
Одна из разновидностей – антифрикционный чугун. Используется для изготовления трущихся деталей. Легируется в первую очередь хромом. Также добавляются никель, титан, медь и прочие.
Отличается высокой твердостью (до HB 300) и низким коэффициентом трения (до 0,8 при отсутствии смазывающих эмульсий).
Базовые материалы: серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркировки соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ. Цифровые составляющие описаны выше.
Достоинства и недостатки материала
Стоит обсуждать в сравнении со сталью, хотя низкокачественная углеродистая сталь – тот же чугун по сути.
По некоторым параметрам (плотность, свойство магнититься, типичные химические реакции) ферросплавы практически идентичны. Существенны отличия в технологии использования.
Преимущества:
-
Умеренная стоимость. Насыщение углеродом – часть процесса выплавки из руды. Снижение его содержания неизбежно удорожает металл.
-
Превосходные литейные качества. Расплав текуч. С низкой усадкой при кристаллизации, что минимизирует дефекты. Относительно низкая температура плавления.
-
Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.
-
Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.
-
Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.
-
Ставшие ненужными элементы легко утилизировать. Любой пункт приема с руками оторвет.
Недостатки:
-
Из-за высокого содержания углерода хрупок. Мало пригоден для обработки давлением. Из отдельных марок получают кованые изделия отменного качества. Но это скорее работа штучная и в индустриальных масштабах нерентабельная.
-
Сварка допускается только в крайних случаях. Технология довольно сложна, велик риск возникновения дефектов.
-
Изделия всегда массивны. Не получится тонкостенная конструкция, так как не выдержит собственного веса и изготовить не удастся.
-
Легко окисляется во влажной среде. Насквозь не проржавеет из-за неизбежной монументальности, но вид приобретет неопрятный. Детали, расположенные на открытом воздухе, нуждаются в коррозионно стойком покрытии.
Производство чугуна
Зачатки черной металлургии человек освоили уже во II-ом тысячелетии до н. э. Для получения стали. Но доменные печи появились в Европе только в XIV — XV веках. Чугун был получен как побочный ненужный продукт.
Оценили, когда обратили внимание на выдающиеся литейные качества. Удобен для изготовления пушек-ядер, да и сталь из него получать удобнее.
До России технология осмысленно дошла в XVII веке. Случилось это при Петре I, когда искали материал для оружия.
В качестве сырья обычно используются железняки. Наибольший выход получается из магнитного и красного, обильно содержащие Fe.
Для поддержания температуры используется кокс. Воздух для горения подается принудительно. Флюс (известняк) предназначен для снабжения углекислым газом. Основная реакция:
.
Восстановленное Fe опускается в горн, где насыщается углеродом. Цикл работы печи – непрерывный.
Получение стали
Порядка 85% чугуна уходит на дальнейшее изготовление стали. Для выплавки используется мартеновская печь.
- В процессе плавления загруженного сырья образуется значительная масса оксида FeO. По мере разогрева происходит реакция:
.
- Лишний углерод удаляется.
- Также используются электродуговые и индукционные печи.
Области применения
В связи с современной тенденцией максимального облегчения оборудования, чугун используют все меньше.
Но есть области, где он пока незаменим и рентабелен:
-
В машиностроении применяется для крупных корпусных деталей с незначительными нагрузками на растяжение. Станины для станкового оборудования, блоки цилиндров для двигателей внутреннего сгорания. Маховики, шкивы, шестерни, гидроцилиндры, корпуса редукторов, электродвигателей, поршни.
-
Сантехническая фурнитура, канализационные трубы.
-
Декоративные элементы: ограды, решетки, ворота.
-
Печи для домов, бань.
История производства железа и стали
Выплавку железа во 2-м тысячелетии до н. э. в промышленных масштабах освоили хетты, основавшие империю на территории хаттов (современная Турция), переняв у них навыки работы с железом и сделав это государственной тайной. Известно, что хетты дарили фараонам железные кинжалы, что считалось царским подарком, а железные слитки (крицу) фараоны держали как стратегический запас драгметалла.
Во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно как драгоценный металл. Железные изделия получили широкое распространение только после Троянской войны. Раскопки в Афинах показали, что уже около 1100 года до н. э.
и позднее уже широко были распространены железные мечи, копья, топоры, и даже железные гвозди. В Китае производство железа развилось к середине I тысячелетия до н. э., в «славной» своими «идеальными» мечами Японии железный век наступил только в VII веке нашей эры (!) В Северной Америке в I тысячелетии до н. э.
появилось железо, в Южную сталь принесли конкистадоры.
В древности основным методом его получения был сыродутный процесс: слои железной руды и древесного угля прокаливались в горнах — от древнего «Horn» — рог, труба, первоначально это была просто одноразовая труба, вырытая в земле, обычно горизонтально в склоне оврага.
В горне окислы железа восстанавливаются до металла раскалённым углём, который отбирает кислород, окисляясь до окиси углерода, и в результате такого прокаливания руды с углём получалось тестообразное кричное (губчатое) железо. Крицу очищали от шлаков ковкой, выдавливая примеси сильными ударами молота.
Полученный брусок железа (в котором всё же оставалось 2—4 % шлака) назывался «кричной болванкой». Долгое время ковка была основным процессом в технологии производства железа, причём, с приданием изделию формы она была связана в последнюю очередь, ковкой получали железо.
На изготовление меча поэтому или скорее нужного количества металла, могло уйти несколько месяцев, доспехов того больше – выковать широкие равномерной толщины пластины молотом сложно и долго, поэтому латный доспех дорого стоил.
Гладии, спаты, каролинги, меровинги, отчасти романского типа мечи и конечно японские катаны заложники низкого качества стали, поэтому они были из сварного дамаска, то есть составными — мягкая сердцевина и наварные твёрдые лезвия.
Дамаск или дамасская сталь — цель процесса была не получить красивый узор сварных харалугов (так называли сталь на Руси), а добиться выгорания вредных примесей (фосфор, сера, шлак) и равномерного распределения углерода в заготовке.
Основным и немаловажным недостатком дамасской стали является ее низкая коррозионная стойкость, обусловленная большим содержанием углерода в компонентах поковки и практически полным отсутствием легирующих элементов.
Узоры на поверхности этого вида дамаска — оптический эффект неравномерного распределения углерода в связи с неоднородностью материала.
В Индии в начале I тысячелетия до нашей эры получали булат (под названием вуц), поскольку имели отличную руду, из неё получались стали с великолепной дендритной решёткой.
Аль-Бируни – средневековый персидский ученый отмечал, что подобная сталь хрупка на морозе, поэтому широкого распространения такие клинки в Европе не имели. Поэтому рыцари не покупали их на «вес золота» и они не «резали кольчугу как масло» или газовый платок.
Дамаск и булат покрыты мифами о разрубании всадника вместе с доспехами, камней и прочего голливудского мифотворчества, что совершенно не соответствует действительности, это в полной мере относится и к катанам.
И булатные и дамасские клинки имеют довольно посредственное качество по сравнению с современной сталью и находятся на уровне качества современных массовых китайских ножей.
Производство чугуна и стали
СУЩНОСТЬ
ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
В металлургии
черных металлов чугун занимает особо
важное место, являясь первичным продуктом
для переработки его в сталь и для
производства чугунного литья.
Основным способом
получения чугуна является доменный
процесс. Он ведется в доменных печах и
заключается в восстановлении из руды
железа и других примесей при помощи
окиси углерода и твердого раскаленного
углерода и последующем науглероживании
и плавлении его.
Электродоменный
процесс применяется только в странах,
обладающих значительным запасом
дешевой электроэнергии. Получение
синтетического чугуна из стального
лома с углеродосодержащими материалами
производится в электрических печах
очень редко.
-
Успешный ход
доменного процесса обеспечивают два
основных условия: - 1) количество тепла
и температура по высоте печи должны
быть распределены так, чтобы все реакции
протекали в определенном месте и в
определенное время; - 2) образование
шлака должно происходить только после
окончания восстановления из руды
железа и необходимых примесей. -
Первое условие
обеспечивается непрерывным движением
в печи двух встречных потоков: поднимающихся
снизу вверх горячих газов от сгорания
в горне топлива и опускающихся сверху
вниз шихтовых материалов, нагревающихся
и плавящихся под действием тепла газов. -
Второе условие
обеспечивается подбором по тугоплавкости
шлаков соответственно сортам выплавляемого
чугуна, чтобы образовавшийся шлак не
сплавил руду до восстановления железа
и других примесей, не изменил заданного
состава чугуна и не вызвал расстройство
в ходе процесса. -
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ -
Горение топлива.Горячий воздух, вдуваемый через фурмы,
сжигает углерод кокса по реакции: - С+02=С02+94052кал, (1)
-
но при движении
газов вверх СО2встречает углерод
раскаленного кокса и разлагается по
реакции: -
С02+С =
2СО-41220/кал. (2) -
Одновременно с
этим идет реакция восстановления
водорода из пара, содержащегося в дутье: -
Н20пар+С = Н2
+ СО-31382кал. (3) -
Восстановление
железа из рудыначинает происходить
при помощи окиси углерода (непрямое
восстановление) в верхних горизонтах
печи и идет в следующем порядке: -
Fe20з ->Fез03 =FеО
—Fе -
прямое восстановление
идет и при более высоких температурах -
FeO
+С=Fе+СО-37284/кал - В современных экономично
работающих печах примерно 60% железа
восстанавливается газами и 40% — твердым
углеродом.
Науглероживание
железа,т. е. образование карбида
железа, в условиях доменной печи
начинается при 400—500°С при помощи
окиси углерода по реакции:
-
ЗFеО+5СО
=Fе3С + 4С02- 58028кал(18) -
и продолжается
при более высоких температурах - Fe3+2СО==Fe3С + С02+ 36220кал.
-
Плавление
науглероженного железаначинается
при температуре, близкой к 1140°С, когда
содержание углерода в нем достигает
4,3%, и должно заканчиваться в шахте печи
до того, как начнет плавиться пустая
порода.
Шлакообразование,т. е. сплавление пустой породы руды с
флюсом, в печи при температуре около
1200°С.
РАБОТА ДОМЕННОЙ
ПЕЧИ
Доменная печь
работает Круглые сутки непрерывно в
течение пяти — восьмилетнего периода,
называемого кампанией.
В начале кампании
печи или при задувке проверяются все
устройства ее, опробуется оборудование,
производится сушка и разогрев кладки,
готовится и грузится задувочная шихта
из отборных материалов и производится
задувка в течение 4—5 суток. Горючие
материалы в горне, зажигаются горячим
воздухом с температурой около 600°С.
Дутье дается постепенно.
Первый выпуск
шлака производится обычно через 15 часов,
а чугуна — через сутки после задувки.
Нормальная производительность печи
достигается, как правило, на
шестые-седьмые сутки.
Выпуск чугуна и
шлака производится по графику: чугун 6
раз в сутки через каждые 4 часа, а шлак
через 1,5—2 часа по мере накопления. Чугун
и шлак выпускаются в ковши чугуновозов
и шлаковозов, подаваемых под соответствующие
желобы печи.
В зависимости от
характера использования чугуна его
подают либо в сталеплавильный цех для
использования в жидком состоянии,
либо 'на разливочную машину для отливки
чугунных чушек.
В сталеплавильных
цехах чугун чаще всего заливают непосредственно в миксеры емкостью
до 1500 т, отапливаемые доменным газом.
Служит миксер для выравнивания
химического состава и температуры
чугуна, а также для удаления из него
серы.
СУЩНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА
СТАЛИ
Сталь, как и чугун,
представляет собой сплав железа с
углеродом и с другими примесями, но
отличается от него меньшим содержанием
их.
Это обусловливает коренную разницу
в процессах получения их: если процесс
получения чугуна по преимуществу
восстановительный, то процесс получения
стали из чугуна окислительный.
Он
сводится к окислению примесей чугуна
до нужных пределов при помощи чистого
кислорода или кислорода воздуха или
руды.
Все процессы в
плавке стали обусловлены известными
положениями физической химии:
1) реакции идут в
строгой последовательности в зависимости
от температуры металла и шлака: при
низких температурах идут экзотермические
реакции, при повышении температуры —
реакции с выделением малого количества
тепла и при высоких температурах —
эндотермические реакции;
2) скорость реакции
пропорциональна концентрации действующих
друг на друга масс, т. е. определяется
процентным содержанием веществ в
металле и в шлаке, а также температурой
и химическим сродством;
3) вещество,
растворенное в металле и в шлаке,
распределяется между ними так, что
процентное содержание его в каждом из
них при определенных температурах
является постоянным;
4)
всякая система, находящаяся в состоянии
химического равновесия, на все процессы,
действующие извне, отвечает возникновением
внутри системы процессов, стремящихся
уничтожить результаты внешнего
воздействия.
В далекие
доисторические времена сталь получали
в тестообразном состоянии непосредственно
из руд в примитивных сыродутных
горнах. Позднее в таком же состоянии
сталь получали из чугуна в кричных
горнах, а с 1784 г. — в пудлинговых печах.
Это были малопроизводительные, физически
тяжелые, требующие большого расхода
топлива и дорогостоящие способы. В
поисках новых, более производительных
и экономичных способов,были
последовательно открыты способы
получения стали в жидком состоянии:
бессемеровский (1855 г.), мартеновский
(1865 г.
), томасовский (1878г.) и
электрометаллургический (1900г.).
БЕССЕМЕРОВСКИЙ
ПРОЦЕСС
Плавка стали при
бессемеровском процессе, открытом Генри
Бессемером в 1855—1856 гг., ведется в
конвертерах.
Сущность процессазаключается в том, что кислород воздуха,
продуваемого через жидкий чугун, окисляет
его примеси и при интенсивно идущих
реакциях образуется такое количество
тепла, которого без подвода извне вполне
достаточно для превращения чугуна в
сталь в течение 10—12мин.Исходным
материалом служит бессемеровский чугун,
содержащий 0,7—1,75% кремния, 0,5—1,2% марганца
и не более 0,07% фосфора и 0,04—0,06% серы.
ТОМАСОВСКИЙ ПРОЦЕСС
Невозможность
передела бессемеровским способом
чугунов с повышенным содержанием фосфора
и серы, ограничила распространение его
в ряде стран. Проблему переработки
фосфористых чугунов в сталь, разрешил
С. Д.
Томас, применив в конвертере вместо
кислой, основную футеровку из
обожженного доломита, связанного
обезвоженной каменноугольной смолой,
и известь для образования шлака и
связывания фосфорного ангидрида.
Конструкция
томасовского конвертера принципиально
не отличается от бессемеровского,
за исключением материала футеровки.
МАРТЕНОВСКИЙ
ПРОЦЕСС
В мировой выплавке
стали главная роль принадлежит
мартеновскому производству. В нашей
стране около 90% стали выплавляется
в мартеновских печах.
Причинами столь
широкого распространения этого процесса
являются: неприхотливость в выборе
шихтовых материалов, легкость управления
и контроля за ходом плавки вплоть до
автоматизации, возможность выплавки
самой разнообразной по качеству,
назначению и по сортам стали, легкая
приспособляемость к любым условиям и
масштабу производства.
Начало мартеновского
процесса относится к 1865 г., когда П. и Э.
Мартены во Франции построили 1,5-тонную
регенеративную печь и получили в ней
сталь удовлетворительного качества из
стального лома и чугуна.
Мартеновский
процесс заключается в расплавлении
шихты, снижении в ней содержания углерода,
кремния, марганца, удалении нежелательных
примесей ( S,P) и введении недостающих элементов
(легирование).
Температура в печи должна
обеспечивать пребывание металла в
жидком состоянии; к концу плавки она
должна составлять 1600 – 16500С. Для
связывания шлаков добавляют флюс
(известнякCaCO3).
Избыток кислорода удаляют раскислением,
вводяMnилиSi.
Мартеновская
печьявляется регенеративной печью.
В ней высокая температура для выплавки
стали достигается тем, что участвующие
в горении газ и воздух (или только воздух)
нагреваются до 1100—1300° теплом отходящих
газов в регенераторах.
-
Исходными
материаламив мартеновском процессе
являются чугун и стальной лом (скрап). -
Стальной лом
(скрап) сортируют по составу с целью
отделения легированных отходов и
сплавов цветных металлов во избежание
потерь их при плавке. - В
зависимости от местных условий плавку
ведут на шихте с различным соотношением
в ней чугуна и стального лома, что
предопределяет главные разновидности
процесса.
/. Скрап-рудный
процесс,в котором 60—70% шихты составляет
чугун, а остальную часть стальной лом,
ведется на металлургических заводах
с собственным доменным производством.
2. Скрап-процесс,в котором шихта составляется из 30—50%
привозного чугуна и 70—50% стального
лома, применяется на машиностроительных
и металлургических заводах, не имеющих
своего доменного производства. Отличается
этот процесс от скрап-рудного процесса
только методами завалки и плавления
шихты.
3. Рудный процесс,в котором плавка ведется только на
одном жидком чугуне без стального
лома, в настоящее время не применяется
по технической нецелесообразности и
экономической невыгодности.
4. Карбюраторный
процесс,в котором плавка ведется
исключительно на стальном ломе, а
чугун заменен антрацитом, каменноугольным,
нефтяным или торфяным коксом, ведется
только в случаях острого недостатка
или полного отсутствия чугуна на заводах.
Производительность печей при этом
процессе снижается на 25—40%, а металл
получается более низкого качества.
-
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ - Основные
преимущества производства стали в
электрических печах, заключаются в
следующем: -
1) в возможности
получения самых высококачественных
сталей и тугоплавких сплавов с минимальным
количеством газов, вредных примесей
и неметаллических включений; -
2) гибкость работы
при всех режимах и характерах производства
с использованием твердой и жидкой
завалки с любым количеством дешевого
стального лома; -
3) в самом малом
угаре металла и особенно легирующих
примесей по сравнению со всеми плавильными
агрегатами; -
4) в простоте
устройства, компактности, легкости
обслуживания и относительной дешевизне
печей.
Исходные материалы.Основными материалами для плавки
являются стальной лом, отходы и специальные
заготовки.
Основы получения чугуна и стали
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Чугун получают в ходе доменного процесса, основанного на восстановлении железа из его природных оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом при высокой температуре. Кокс, сгорая, образует углекислый газ.
При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe203—*Fe304—►FeO—»Fe.
Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун.
В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5% углерода и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы. В зависимости от количества и формы связи углерода и примесей с железом, чугуны имеют разные свойства, в том числе цвет, подразделяясь по этому признаку на белые и серые.
Сталь получают из чугуна путем удаления из него части углерода и примесей. Существуют три основных способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электроплавильный.
Конвертерный основан на продувке расплавленного чугуна в больших грушевидных сосудах-конвертерах сжатым воздухом. Кислород воздуха окисляет примеси, переводя их в шлак; углерод выгорает. При малом содержании в чугуне фосфора конвертеры футеруют кислыми огнеупорами, например динасом, при повышенном — основными, периклазовыми.
Соответственно выплавляемую в них сталь по традиции называют бессемеровской и томасовской. Конвертерный способ отличается высокой производительностью, обусловившей его широкое распространение. К недостаткам его относятся повышенный угар металла, загрязнение шлаком и наличие пузырьков воздуха, ухудшающих качество стали.
Применение вместо воздуха кислородного дутья в сочетании с углекислым газом и водяным паром значительно улучшает качество конвертерной стали.
Мартеновский способ осуществляется в специальных печах, в которых чугун сплавляется вместе с железной рудой и металлоломом (скрапом).
Выгорание примесей происходит за счет кислорода воздуха, поступающего в печь вместе с горючими газами и железной рудой в составе оксидов.
Состав стали хорошо поддается регулированию, что позволяет получать в мартеновских печах высококачественные стали для ответственных конструкций.
Электроплавление является наиболее совершенным способом получения высококачественных сталей с заданными свойствами, но требует повышенного расхода электроэнергии.
По способу ее подведения электропечи подразделяются на дуговые и индукционные. Наибольшее применение в металлургии имеют дуговые печи.
В электропечах выплавляют специальные виды сталей — средне — и высоколегированные, инструментальные, жаропрочные, магнитные и другие.
В связи с развитием промышленности состояние окружающей среды каждый год ухудшается. Главный вопрос, который стоит перед человечеством: как уберечь природу от пагубного воздействия человека? Эта проблема касается всех сфер человеческой …
Асфальтовые бетоны и растворы
Для приготовления асфальтовых растворов и бетонов применяют асфальтовое вяжущее, представляющее смесь нефтяного битума с тонкомолотыми минеральными порошками (известняка, доломита, мела, асбеста, шлака). Минеральный наполнитель не только уменьшает расход битума, но …
Дегтевые вяжущие вещества
Деготь представляет собой густую вязкую массу чернокоричневого цвета, образующуюся при нагревании без доступа воздуха твердых видов топлива (каменного и бурого углей, горючего сланца, торфа, древесины). В строительстве применяют главным образом …
Перечислить преимущества чугунов перед сталями
В металлургии различают довольно большое количество разновидностей стали. Их классификация зависит от количества того или иного компонента в смеси. Например, большое содержание связывающих элементов дает высоколегированную (более 11%) сталь. Кроме этого существуют:
- низколегированные – до 4% связывающих компонентов;
- среднелегированные – до 11% связывающих элементов.
Содержание углерода в сплаве также дает свою классификацию металлу:
- низкоуглеродистый металл – до 0,25%С;
- среднеуглеродистый металл – до 0,55%С;
- высокоуглеродистый – до 2%С.
И, наконец, в зависимости от содержания неметаллических включений, которые образуются в результате реакций (например, оксиды, фосфиды, сульфиды), осуществляется классификация по физическим свойствам:
- особо высококачественная;
- высококачественная;
- качественная;
- обычная сталь.
Это далеко не полная классификация стали. Еще различают виды по структуре материала, методу производства и так далее. Но каким бы способом ни сплавляли основные компоненты, в итоге получают твердый, прочный, износостойкий и устойчивый к деформациям материал с удельным весом 7,75 (до 7,9) Г/см3. Температура плавления стали – от 1450 до 1520°C.
Стальные водопроводные трубы: размеры ГОСТ
В отличие от стали чугун более хрупок, его отличает способность разрушаться без заметных остаточных деформаций. При этом сам углерод в сплаве представлен в виде графита и/или цементита, их форма и соответственно количество определяют разновидности чугуна:
- белый – весь необходимый углерод содержится в виде цементита. Материал белый на изломе. Очень тверд, но хрупок. Он поддается обработке и в основном используется для получения ковкой разновидности;
- серый – углерод в виде графита (пластичная форма). Мягок, отлично поддается обработке (можно резать) и имеет низкую температуру плавления;
- ковкий – получается после продолжительного отжига белого вида, в результате чего образуется графит. Нагрев (свыше 900°C) и скорость охлаждения графита негативно влияют на свойства материала. Это затрудняет сварку и обработку;
- высокопрочный – содержит шаровидный графит, образующийся в результате кристаллизации.
Содержание углерода в составе определяет его температуру плавления (чем его больше, тем ниже температура) и выше текучесть при нагреве. Поэтому чугун – это жидкотекучий, непластичный, хрупкий и трудно поддающийся обработке материал с удельным весом 6,9 (7,3) Г/см3. Температура плавления – от 1150 до 1250°C.
Литейные качества
Большинство людей не видели чугун или сталь в расплавленном состоянии, что понятно, поскольку чугун плавится при температуре около 2300 °F, а сталь – при температуре 2600 °F, и оба они заливаются в формы при еще более высоких температурах. Люди, которые работают с жидким чугуном и сталью, часто отмечают, что они сильно различаются по степени текучести и усадки.
Чугун относительно легко лить, он легко разливается и не дает усадки так сильно, как сталь. Это означает, что он легко заполняет сложные пустоты в форме, и для этого требуется меньше расплавленного материала. Эта текучесть делает чугун идеальным материалом для архитектурных или декоративных металлоконструкций, например, таких, как ограждения и уличная мебель.
Заливка стали намного сложнее. Она менее жидкая, чем расплавленный чугун, и более реактивная к материалам форм. Сталь даёт большую усадку, когда охлаждается, а это означает что нужно налить больше расплавленного материала – обычно в запасной резервуар, называемый стояком, из которого вытягивается отливка при охлаждении.
Однако отливки обычно охлаждаются неравномерно.
Внешние области и более тонкие части будут охлаждаться и сжиматься намного быстрее, чем внутренние области и более объемные части, часто создавая внутреннее натяжение или напряжение, которое можно ослабить только посредством термообработки.
Сталь гораздо более восприимчива, чем чугун, к усадочным напряжениям, и в некоторых ситуациях эти напряжения могут привести к значительным внутренним и /или внешним пустотам и возможным переломам.
По этим причинам литейная сталь требует большего внимания и контроля в течение всего процесса литья, что делает производство более ресурсоёмким.
Выводы TheDifference.ru
- Сталь более прочна и тверда, нежели чугун.
- Чугун легче, чем сталь, и имеет более низкую температуру плавления.
- Благодаря более низкому содержанию углерода сталь лучше поддается обработке (сварке, резке, прокатке, ковке), нежели чугун.
- По этой же причине изделия из чугуна изготавливают лишь методом литья.
- Изделия из чугуна более пористые (по причине литья), чем из стали, а потому их теплопроводность значительно ниже.
- Обычно художественные изделия из чугуна черные и матовые, а из стали – светлые и блестящие.
- Чугун обладает низкой теплопроводностью, а сталь – более высокой.
- Чугун является первичным продуктом черной металлургии, а сталь – конечным.
- Чугун не закаливают, а некоторые виды стали обязательно подвергают процедуре закалки.
- Изделия из чугуна бывают только литыми, а из стали – коваными и сварными.
Ударопрочность
Пока что вам может показаться, что использование чугуна имеет больше преимуществ, чем использование стали, но у стали есть одно существенное преимущество: ударопрочность. Сталь отлично выдерживает внезапные удары без изгиба, деформации или разрушения. Это связано с её прочностью: её способностью выдерживать высокие нагрузки.
Прочность без пластичности приводит к тому, что хрупкий материал очень восприимчив к разрушению, а чугун является образцом для определения термина «прочность без пластичности». Из-за своей хрупкости чугун имеет ограниченную область применения.
Ударопрочность и несущая природа стали делают ее оптимальной для многих механических и конструкционных применений, поэтому сталь является наиболее широко используемым металлом в мире.
Объёмы производства
- Чугун, отлитый в виде чушек Воспроизвести медиафайл
- Выпуск чугуна из доменной печи
- В 1892 году Германия производила 4,9 миллиона тонн чугуна, против 6,8 в Англии, а в 1912 году уже 17,6 против 9,0[29]
- Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т)[30]. Первая десятка стран-производителей чугуна выглядела следующим образом:
| Место в 2009 году | Страна | Производство чугуна, млн тонн |
| 1 | Китай | 543,748 |
| 2 | Япония | 66,943 |
| 3 | Россия | 43,945 |
| 4 | Индия | 29,646 |
| 5 | Южная Корея | 27,278 |
| 6 | Украина | 25,676 |
| 7 | Бразилия | 25,267 |
| 8 | Германия | 20,154 |
| 9 | США | 18,936 |
| 10 | Франция | 8,105 |
За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.[31]
Как сделать станок для гибки арматуры своими руками
Устойчивость к коррозии
Чугун имеет лучшую коррозионную стойкость, чем сталь. Однако оба металла окисляются при взаимодействии с влагой.
Для предотвращения коррозии рекомендуется использовать краску или порошковое покрытие. Они хорошо защищают как чугунные, так и стальные поверхности.
Любой скол или трещина, которой подвергся основной металл, может привести к коррозии, поэтому регулярное техническое обслуживание важно для металлов с покрытием. Если коррозионная стойкость является важным фактором, то, вероятно, лучшим выбором будет легированная сталь, в частности нержавеющая сталь, в которую добавлены хром и другие сплавы для предотвращения окисления.
Примечания
- ↑ 12 Вегман и др., 2004, с. 41.
- Начало чугунолитейного производства
- Карабасов и др., 2012, с. 54.
- Вегман и др., 2004, с. 39.
- Numismatic Legacy of Wang Mang, AD9-23 by Henz Hratzer, A.M.Fishman, 2021. 中国古钱大集 华光普 着 甲册 2008年版.
五銖圖考 杜维善 着 下册 2009年版
- Китайские монеты
- Археологи нашли на Куликовом поле золотоордынский котел 14 века
- Терехова Н. Н.
Технология чугунолитейного производства у древних монголов
- Из чего отливают колокола
- ↑ 12345678 Чугун / Мильман Б. С., Ковалевич Е. В., Соленков В. Т. // Чаган — Экс-ле-Бен. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — С. 248—249.
— (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 29).
- ↑ 12 Коротич, 2000, с. 178.
- История огнестрельного оружия с древнейших времён до 20 века
- Артиллерийское орудие (история изобретения)
- Про царскую артиллерию и литьё пушек
- Вегман и др., 2004, с. 40.
- История паровоза
- Чугунок для русской печи
- Вегман и др., 2004, с. 51—52.
- Вегман и др., 2004, с. 53.
- Карабасов и др., 2011, с. 138—140, 144—153.
- Л. Г. Бескровный. Армия и флот в XVIII веке.. — М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1958. — С. 361. — 662 с.
- Доменная революция
- Викторианский и георгианский стиль и каминное оформление (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 15 октября 2021. Архивировано 15 октября 2021 года.
- А. Н. Граблёв. Машины и технология литейного производства. — М.: МГИУ, 2010. — С. 14. — 228 с. — ISBN 978-5-2760-1857-7.
- Подземный Лондон: Водопровод и канализация
- Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 245, 253.
- Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 246.
- Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 245.
- Ленин. Империализм, как высшая стадия капитализма, гл. 7.
- Мировое производство чугуна за 2009 год снизилось на 3,2 % (недоступная ссылка)
- В мире растет производство чугуна.
Износостойкость
Чугун, как правило, обладает большей устойчивостью к механическому износу, чем сталь, особенно в условиях износа при трении. Более высокое содержание графита в чугуне создает графитную сухую смазку, которая позволяет твердым поверхностям скользить друг против друга без ухудшения качества поверхности.
Сталь изнашивается легче, чем чугун, но все же может быть устойчивой к определенным типам истирания. Некоторые добавки из сплава также могут улучшить абразивные свойства стали.
Маркировка
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
- передельный чугун — П1, П2;
- передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
- передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
- передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
- чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).
Антифрикционный чугун:
- антифрикционный серый — АЧС;
- антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
- антифрикционный ковкий — АЧК;
- чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
- чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
Ковкий чугун маркируется двумя буквами и двумя числами, например КЧ 37-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности на разрыв (в десятках мегапаскалей), второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
История
См. также: История производства и использования железа и Доменная_печь § История
В начале I тысячелетия до н. э. технология выплавки чугуна в тиглях была освоена в Китае и прилегающих Дальневосточных территориях. Шихта состояла из кричного железа и древесного угля, плавка производилась в течение нескольких суток при температуре выше 1200 °С.
Позднее китайскими металлургами была изобретена специальная печь для выплавки чугуна из железной руды или кричного железа, получившая название «китайская» вагранка. Печь по сути представляла собой сыродутный горн высотой около 1 м, оборудованный дутьевым ящиком, обеспечивавшим приток воздуха в печь. В V—III веках до н. э.
в Китае было освоено производство сложных отливок из чугуна. Этот период принято считать началом художественного чугунного литья[3][4].
В начале I века[5] в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты[6]. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо.
XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область)[7], однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке[8].
В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол[9].
Появление чугуна в Европе относят к XIV веку, когда начались первые плавки в штюкофенах с получением жидкого чугуна. В России первый чугун был выплавлен в XVI веке[10][11]. Наиболее активно первые домницы строились во 2-й половине XV века в Италии, Нидерландах и Бельгии. Немецкие металлурги длительное время продолжали плавить металл в блауофенах[1].
В XIV—XV веках в Европе, с XVI века — в России появились первые цельнолитые чугунные пушки и ядра[12][13][14]. Первооткрывателем этой технологии считается мастер-литейщик Питер Боуде из деревни Бакстед[en] работавший в литейной мастерской Генриха VIII[15].
В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел. В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост. В России чугунный мост появился лишь в начале XIX века.
Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы[16]. Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи[17].
В начале XVIII века в Западной Европе обострилась проблема истощения лесов, использовавшихся для получения древесного угля. Начались поиски альтернативных видов топлива для доменных печей. Первые опыты по применению подготовленного каменного угля и торфа в доменной плавке производились в Англии и Германии ещё в первой половине XVII века.
В начале XVIII века в Англии была освоена технология коксования каменного угля. В 1735 году в Англии впервые был выплавлен чугун с использованием только каменноугольного кокса. В дальнейшем коксовая металлургия распространилась по всему миру[11][18].
К 1850 году 70 % всех существовавших в мире доменных печей работали на коксе, а к 1900 году — 95 %[19][20].
К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США[21].
В начале XIX века был освоено производство ковкого чугуна. Во 2-й четверти XX века начали применять легирование чугуна[10].
В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США[22].
Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов[23], а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890).
Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы.
Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении[24]. Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона[25].
Загрузка...
