Среди металлов, производимых в одном технологическом процессе выделяются одни из самых распространенных — сталь и чугун. При том, что один делается в результате переделки другого, эти металлы существенно отличаются друг от друга, как по своему составу, так и по использованию в экономике.

Как варят сталь

Сталью называют железо-углеродистый сплав, в котором содержание углерода не превышает 3,4 процентов . Обычный показатель — в пределах 0,1-2,14 % . Он снижает пластические характеристики стали, при этом делая ее тверже и прочнее. В легированной и высоколегированной содержится более 45% железа. Упругость стали определяет ее востребованность при создании машиностроительной продукции, в первую очередь силовых пружин и рессор, амортизаторов, подвесок, растяжек и других упругих частей.

Независимо от форм и условий эксплуатации упругих частей машин, механизмов и приборов, у них есть общее замечательное качество. Оно заключается в том, что, несмотря на большие ударные, периодические и статические нагрузки у них нет остаточной деформации.

Стали классифицируют в соответствии с их назначением, химическим составом, структурой и качеством. Категорий назначений стали множество, в том числе такие как:

Инструментальные.
Конструкционные.
Нержавеющие.
Жаропрочные.
Устойчивые к сверхнизким температурам.

Стали могут различаться по содержанию в них углерода, от низкоуглеродистых, в которых его до 0,25%, до высокоуглеродистых с 0,6-2%. В легированных может быть от 4 до 11 и выше процентов соответствующих добавок. В зависимости от содержания различных примесей они классифицируются на стали с обыкновенными качествами, высококачественные и обладающие особо высокими качествами.

При ее производстве главное — добиться снижения до необходимого уровня содержания серы и фосфора, делающих металл ломким и хрупким. При этом применяются разные способы, окисления углерода, которые могут быть мартеновским, конверторным и электротермическим. При мартеновском способе необходимо много тепловой энергии, которая выделяется при сжигании газа или мазута. С помощью электричества нагреваются дуговые или индукционные печи. Для конвертерного варианта внешнего источника тепла не нужно. Здесь обычно расплавленный чугун отделяется от примесей путем продувания через него кислорода.

Сырьем для производства стали служит металлом, передельный чугун, добавки, образующие шлаки и обеспечивающие легирование стали. Сам процесс плавки может проводиться в разных вариантах. Случается, что он начинается в мартеновской печи, а заканчивается в электрической. Или для того, чтобы получилась сталь, устойчивая против коррозии, она после плавления в электропечи сливается в конвертер. В нем она продувается кислородом и аргоном для минимизации содержания углерода. Плавится сталь при температуре 1450-1520 °C .

Как получают чугун

Сплав железа с углеродом также может именоваться чугуном. Однако в отличие от стали, в нем должно быть не менее 2,14 % углерода, придающему этому очень твердому материалу высокую хрупкость, При этом он становится менее пластичным и вязким. В зависимости от содержания в нем цементита и графита чугун может именоваться белым, серым, ковким и высокопрочным.

Первый содержит 4,3-6,67 % углерода . Он светло-серый на изломе. Используют его преимущественно для получения ковких чугунов с применением технологии отжига. Серым называется чугун по серому цвету его излома из-за наличия графита в пластинчатом виде и наличия кремния. В результате продолжительного отжига белого чугуна выходит чугун ковкий. У него повышенная пластичность и вязкость, удароустойчивость и большая прочность. Из него изготавливают сложные детали для машин и механизмов. Его маркируют буквами «К» и «Ч», после которых ставятся цифры, указывающие на предел прочности и относительное удлинение.

Высокопрочный чугун отличается наличием в нем шаровидного графита, не допускающего концентрации напряжений и ослабления металлической основы. Для его упрочнения используют лазер, что позволяет получать ответственные детали машин повышенной прочности. Для промышленных потребностей существуют различные классификации чугуна передельного, антифрикционного, легированного и графитсодержащего. Его температура плавления в пределах 1 150 до 1 200 °C.

Чугун зарекомендовал себя универсальным, недорогим и прочным материалом . Из него изготавливают сложные и массивные детали машин и механизмов, уникальные художественные изделия. Чугунные украшения и памятники украшают многие города мира. Столетиями служат людям искусно выполненные из него ограды старинных зданий, ступеньки в них, водопроводные и канализационные трубы. Чугунные люки закрывают коммуникационные колодцы на улицах многих населенных пунктов. Ванны, мойки и раковины, отопительные радиаторы из этого материала отличаются надежностью и долговечностью. Из чугуна отливают коленчатые валы и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, тормозные диски и другие детали автомобилей. Обычно чугунные детали после отливки подвергаются дополнительной механической обработке.

Что их отличает

Сталь и чугун являются материалами, широко используемыми в промышленности, на транспорте и в строительстве. Внешне они бывают очень схожими.

Однако существуют такие основные различия между ними:

Сталь является конечным продуктов сталеплавильного производства, а чугун — сырьем для него.
У стали прочность и твердость выше, чем у хрупкого чугуна.
В ней содержание углерода намного меньше, чем у чугуна.
Сталь тяжелее чугуна, у нее выше температура плавления.
Сталь можно обрабатывать путем резки, прокатки, ковки и пр., изделия из чугуна преимущественно отливаются.
Чугунные изделия пористые и имеют теплопроводность значительно ниже, чем стальные
Новые стальные детали имеют серебристый блеск, чугунные матовые и черные.
Для придания стали особых свойств, ее могут закаливать, с чугуном это не делают.

Продукция черной металлургии широко используется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Металлургия уже давно успешно развивается, благодаря своему высокому техническому потенциалу. Наиболее часто применяются в производстве и в быту чугунные и стальные изделия.

Чугун и сталь оба относятся к группе черных металлов, эти материалы представляют собой уникальные по своим свойствам сплавы железа с углеродом. В чем отличия стали и чугуна, их главные свойства и характеристики?

Сталь и ее основные характеристики

Сталь представляет собой деформированный сплав железа с углеродом , которого всегда максимум до 2%, а также другие элементы. Углерод является важным компонентом, поскольку придает прочности сплавам железа, а также твердость, за счет этого снижается мягкость и пластичность. В сплав часто добавляются легирующие элементы, что в итоге дает легированную и высоколегированную сталь, когда в составе не менее 45% железа и не более 2% углерода, остальные 53% составляют добавки.

Сталь является важнейшим материалом во многих отраслях, ее применяют в строительстве и по мере роста технико-экономического уровня страны, растут и масштабы производства стали. В давние времена мастера для получения литой стали применяли тигельную плавку и такой процесс был малопроизводительным и трудоемким, но сталь отличалась высокими качествами.

Со временем процессы получения стали менялись, на смену тигельному пришли бессемеровский и мартеновский метод получения стали, что дало возможность наладить массовое производство литой стали. Затем стали выплавлять сталь в электрических печах, после чего был внедрен кислородно-конверторный процесс, он позволил получать особо чистый металл. От количества и видов связующих компонентов сталь может быть:

Низколегированной
Среднелегированной
Высоколегированной

В зависимости от содержания углерода она бывает:

Низкоуглеродистой
Среднеуглеродистой
Высокоуглеродистой.

В состав металла часто входят неметаллические соединения - оксиды, фосфиды, сульфиды, их содержание отличается на качестве стали, существует определенная классификация качества.

Плотность стали составляет 7700-7900 кг/м3 , а общие характеристики стали складываются из таких показателей, как - прочность, твердость, износостойкость и пригодность для обработки различного вида. По сравнению с чугуном сталь обладает большей пластичностью, прочностью и твердостью. Благодаря пластичности она легко поддается обработке, сталь отличается более высокой теплопроводностью, а ее качество повышается за счет закаливания.

Такие элементы, как никель, хром и молибден являются легирующими компонентами, каждый из них придает стали свои характеристики. Благодаря хрому сталь становится более прочной и твердой, повышается ее износостойкость. Никель также придает прочности, а также вязкости и твердости, повышает ее антикоррозийные свойства и прокаливаемость. Кремний снижает вязкость, а марганец улучшает качества свариваемости и прокаливания.

Все существующие виды стали имеют температуру плавления от 1450 до 1520оС и представляют собой прочные износостойкие и стойкие к деформации сплавы металла.

Чугун и его основные характеристики

Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:

Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250оС .

Антикоррозийные свойства у чугуна выше, поскольку он подвергается сухой ржавчине в процессе использования, это называется химическая коррозия. Влажная коррозия также воздействует на чугун медленней, чем на сталь. Эти качества привели к тому, что было совершено открытие в металлургии - начали выплавлять сталь с высоким содержанием хрома. Отсюда и появилась нержавеющая сталь.

Делаем вывод

Исходя их многочисленных характеристик, можно сказать следующее о чугуне и стали, в чем их отличие:

Можно сделать вывод, что сталь и чугун объединяет содержание в них углерода и железа, но их характеристики отличаются и каждый из сплавов имеет свои особенности.

Чугунные и стальные изделия металлургической промышленности находят применение как в быту, так и на производстве. Оба материала представляют собой уникальные сплавы железа и углерода. Всем известно, что железо добывается из глубин земли в огромных количествах. Но в чистом виде эксплуатировать его невозможно, этот элемент слишком мягок, а поэтому непригоден для изготовления высокопрочных изделий. Поэтому в промышленных, строительных и бытовых целях употребляется не железо в чистом виде, а его производные -чугуны и стали. Чем отличается сталь от чугуна?

Чугун и сталь представляют собой сплавы железа и углерода.

Их отличие проявляется во многих качествах, и общность элементов при производстве не дает материалу идентичные характеристики.

Градация стали и чугуна

Вернуться к оглавлению

Сталь

Для получения стали железо сплавляется с углеродом и разнообразными примесями. Обязательным условием является содержание углерода не более 2% (он увеличивает прочность), а железа — не меньше 45%. Оставшуюся часть составляют легирующие связывающие компоненты (хром, молибден, никель и т.д). Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость, повышает ее антикоррозийные качества и прокаливаемость. Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость. Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.Металлурги выделяют разные виды стали. Классифицируют их в зависимости от объема оставляющих элементов. Например, содержание более 11% легирующих металлов дает высоколегированную сталь. Существует также:

Низколегированная сталь — до 4%.
Среднелегированная сталь — до 11%.

По количеству углерода сталь классифицируется на:

низкоуглеродистый металл — до 0,25% С;
среднеуглеродистый металл — до 0,55% С;
высокоуглеродистый металл — до 2% С.

Состав неметаллических элементов (фосфидов, сульфидов) классифицирует металл на:

обычную;
качественную;
высококачественную;
особо высококачественную сталь.

В итоге все виды стали представляют собой прочный, износостойкий и устойчивый к деформации сплав с температурой плавления от 1450 до 1520 °C.

Вернуться к оглавлению

Чугун

В производстве чугуна тоже сплавляется железо и углерод. Основным же отличием чугуна от стали является содержание последнего в смеси. Оно должно составлять больше 2%. Помимо этого, смесь содержит примеси: кремний, марганец, фосфор, серу и легирующие металлы. Чугун более хрупок, чем сталь, и разрушается без видимого деформирования. Углерод в металле представлен графитом или цементитом, при этом объем и форма элемента дают определение разновидностям сплава:

Белый чугун, в котором весь объем углерода представлен цементитом. На изломе этот материал имеет белый цвет, очень твердый, но при этом хрупкий. Легок в обработке и применяется для производства ковкой разновидности.
Серый — углерод представлен графитом, придающим материалу пластичность. Мягок, подвержен резанию, с низкой температурой плавления.
Ковкий, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950-1000 °С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун не куется, а название указывает лишь на его пластичность.
Высокопрочный чугун, содержащий шаровидный графит, образованный в процессе кристаллизации.

Количеством углерода в сплаве определяется температура его плавления (чем больше содержание элемента, тем ниже температура и выше текучесть при нагреве). Поэтому чугун является жидкотекучим, непластичным, хрупким и трудно поддающимся обработке материалом с температурой плавления от 1150 до 1250 °C.

Вернуться к оглавлению

Устойчивость к коррозии

Оба сплава подвержены коррозии, и неправильная эксплуатация способствуют ускорению этого процесса.

Чугун в процессе использования покрывается сверху сухой ржавчиной. Это так называемая химическая коррозия. Влажная (электрохимическая) коррозия воздействует на чугун медленнее, чем на сталь. Первоначально напрашивается вывод, что антикоррозионные характеристики чугуна гораздо выше. На самом деле оба эти сплава подвержены коррозии в равной степени, просто в отношении чугунных изделий из-за толстых стен процесс занимает больше времени. Этим, например, можно объяснить разницу в сроке службы котлов: стальные — от 5 до 15 лет, чугунные — от 30 лет.

В 1913 году Гарри Бреарли совершил открытие в области металлургии. Он обнаружил, что сталь с высоким содержанием хрома имеет хорошее сопротивление к кислотной коррозии. Так появилась нержавеющая сталь. Она тоже имеет свою градацию:

Коррозионно-стойкая сталь имеет стойкость к коррозии в элементарных промышленных и бытовых условиях (нефтегазовая, легкая, машиностроительная промышленность, хирургические инструменты, бытовая нержавеющая посуда).
Жаростойкая сталь устойчива к высоким температурам и агрессивным средам (химическая промышленность).
Жаропрочная сталь отличается повышенной механической прочностью в условиях высоких температур.

Вернуться к оглавлению

Термический шок и ударопрочность

Чугун и сталь часто применяются при изготовлении отопительных котлов. При этом вопрос устойчивости к термическим ударам становится особенно важным. Если в неостывший чугунный котел попадет холодная вода, он может треснуть. Стальным изделиям термошок не страшен. Сталь более эластична и отлично переносит разницу температур. Но большие и частые температурные перепады у стали способствуют появлению «усталых» зон и, как следствие, трещин в местах, которые ослаблены сваркой.

Хорошая пластичность делает стальные изделия устойчивыми к механическим повреждениям. Хрупкость же чугуна неизбежно приводит к образованию трещин при ударах или перекосах.

Серый чугун имеет более однородную структуру, повышенные пластичность и антикоррозийные свойства, способен выдерживать большие температурные скачки.

Чугун менее прочен и тверд, нежели сталь.
Сталь тяжелее и имеет более высокую температуру плавления.
Более низкое содержание углерода в стали в отличие от чугуна позволяет более легко ее обрабатывать (варить, резать, ковать).
По аналогичной причине чугунные изделия производят только методом литья, стальные же могут быть кованными и сварными.
Изделия из стали менее пористые, чем из чугуна, а потому их теплопроводность значительно выше.
Изделия из чугуна имеют, как правило, черный цвет и матовую поверхность, а из стали — светлые с блестящей поверхностью.

(польск. stal, от нем. Stahl) - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: "Оцел", "Харолуг" и "Уклад". В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется "Оцел", например в чешском.

Сталь - важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием[источник не указан 122 дня] форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью

Классификация

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода - на низкоуглеродистые(до 0,25 % С), среднеуглеродистые(0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые(0,6-0,85 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики стали

Плотность - 7700-7900 кг/м³.

Удельный вес - 75537-77499 н/м³ (7700-7900 кгс/м³ в системе МКГСС).

Удельная теплоемкость при 20 °C - 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).

Температура плавления - 1450-1520 °C.

Удельная теплота плавления - 84 кДж/кг (20 ккал/кг).

Коэффициент теплопроводности - 39 ккал/(м·час·°C) (45,5 Вт/(м·К)).[источник не указан 136 дней]

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20) - (1/град);

сталь нержавеющая - (1/град).

Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций - 38-42 (кГ/мм²);

сталь кремнехромомарганцовистая - 155 (кГ/мм²);

сталь машиностроительная (углеродистая) - 32-80 (кГ/мм²);

сталь рельсовая - 70-80 (кГ/мм²);

Сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %), характеризующийся эвтектичесим превращением. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае - 477 млн тонн).

Виды чугунa

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна - перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.

Серый чугун

Серый чугун - это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

Половинчатый чугун

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна - перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Классификация

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером - в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

передельный чугун - П1, П2;

передельный чугун для отливок - 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 удлиненние(%);

чугун легированный со специальными свойствами - Ч.

3.До́менная печь,

до́мна - большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна, ферросплавов из железорудного сырья. Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России - около 1630 г.

Описание

Доменная печь представляет собой сооружение высотой до 35 м, высота ограничивается прочностью кокса, на котором держится весь столб шихтовых материалов. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части - колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части - шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части - распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части - заплечиков, где образуется восстановительный газ - монооксид углерода; цилиндрической части - горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса - чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы - отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья - сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

Процессы, протекающие в печи

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O 2 = CO 2 + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода - главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 - 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси - сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее, шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через Чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи - в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун сливается в чугуновозные ковши и вывозится в сталеплавильный цех.

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна - весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже - ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна - производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

Все камни