Чавун
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Чаву́н — сплав заліза з вуглецем, який може вміщувати від 2,14 до 4,3 % вуглецю і більше.
Чисте залізо має обмежене застосування. В техніці зазвичай використовують сплави заліза з вуглецем, які поділяють на сталі і чавуни. Сталі містять до 2,14 % вуглецю, а чавуни — від 2,14 до 4,3 % вуглецю і навіть більше.
Зміст |
[ред.] Виробництво чавуну
Чавун одержують з залізної руди в спеціальних вертикальних печах, які називають доменними печами, або домнами. Доменні печі являють собою складні споруди з вогнетривкого матеріалу із зовнішньою стальною обшивкою. Висота сучасних доменних печей досягає 30 м, а внутрішній діаметр — до 6 м.
[ред.] Історія
З 1500 до 1700 р. світова виплавка чавуну виросла приблизно з 60 тис. т. до 104 тис. т. (в 1,7 рази), а за все XVII ст. з 104 тис. т. до 278 тис. т. (1790 р.), тобто в 2,67 р. А за наступні 80 років з 1790 р. по 1870 р. виплавка чавуну склала 12 млн. т., що в 43 рази більше ніж в 1790 р.
На долю Англії приходилось в 60 роках XIX ст. більше 50% всього виплавленого чавуну. Але в другій половині XIX ст. Англію за темпами розвитку чорної металургії переганяють США та Німеччина.
[ред.] Сучасне виробництво
Добова продуктивність потужної домни становить 2000 т чавуну і навіть більше. Доменна піч після її пуску працює безперервно 5—6 років, а інколи навіть і до 10 років. Потім її ремонтують і знову пускають у роботу. Операції з підготовки шихти, завантаженні її в домну, випуску чавуну і шлаку механізовані. Шихту завантажують через верхню частину домни (колошник).
Спочатку засипають шар коксу, потім шар суміші руди з коксом і флюсами, потім знову шар коксу і т. д. Кокс служить джерелом тепла для підтримання потрібної температури в домні і для одержання відновника — монооксиду вуглецю CO, а флюси (найчастіше CaCO3) — для перетворення пустої породи (SiO2, глини тощо) в легкоплавкі сполуки — шлак.
Горіння коксу підтримується вдуванням у нижню частину домни (горно) попередньо нагрітого до 800—1000°С повітря. Найвища температура (до 1500 °C і навіть більше) досягається в нижній частині домни у зоні горіння коксу, а найнижча (до 200 °C) — у найвищій частині.
В результаті згоряння коксу в нижній частині домни утворюється діоксид вуглецю CO2, який, піднімаючись вгору і проходячи крізь шар розжареного коксу, перетворюється в монооксид вуглецю CO:
- C + O2 = СО2
- CO2 + C = 2CO
Монооксид вуглецю як сильний відновник, проходячи через шари шихти, відновлює оксиди заліза (залізну руду). Причому ступінь відновлення залежить від температури. При температурі 200—500°С Fe2O3 відновлюється до Fe3O4:
- 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 ↑
при 600 °C Fe3O4 відновлюється до FeO:
- Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 ↑
Вище 700 °C FeO відновлюється до вільного заліза, яке утворюється в твердому стані (так зване губчасте залізо):
- FeO + CO = Fe + CO2 ↑
При вищих температурах у процесах відновлення оксидів заліза бере участь, крім монооксиду вуглецю, і вільний вуглець:
- FeO + C = Fe + CO ↑
Відновлення заліза з руди закінчується при температурі 1000—1100 °C. При цій температурі частково відновлюються й інші елементи із сполук, що входять до складу руди як домішки, — манган, силіцій, фосфор тощо. Наприклад:
- SiO2 + 2C = Si + 2CO ↑
- Ca3(PO4)2 + 5C = 2Р + 3CaO + 5СО ↑
Утворюване губчасте залізо частково реагує з розжареним вуглецем і утворює хімічну сполуку — карбід заліза Fe3C:
- 3Fe + C = Fe3C
Ця сполука не підлягає правилам звичайної валентності. Карбід заліза Fe3C називають цементитом. Цементит в залізі утворює розчин, який називають чавуном.
Температура плавлення чавуну нижча, ніж чистого заліза, і залежить від вмісту вуглецю. Температура плавлення заліза 1535 °C, а чавуну із вмістом вуглецю 4,3 % плавиться при 1130 °C. Це найнижча температура плавлення чавуну. Доменний чавун містить звичайно 3—4 % вуглецю і плавиться при 1200—1300°С.
У розплавленому чавуні легко розчиняються силіцій, манган, фосфор, сірка й інші домішки, які й залишаються в чавуні. Розплавлений чавун стікає в найнижчу частину домни (горно), звідки його періодично випускають. Пуста порода, що міститься в залізній руді, видаляється у вигляді шлаку. Шлак утворюється за такими хімічними рівняннями. Вапняк, що додається до шихти як флюс, при 800—1000°С розкладається на оксид кальцію і діоксид вуглецю. Утворюваний CaO як оксид з основними властивостями взаємодіє з силіцієвим ангідридом SiO2 і амфотерним оксидом алюмінію Al2O3 (що міститься в глині) з утворенням відносно легкоплавких силікату кальцію і алюмінату кальцію:
- CaCO3 = CaO + CO2 ↑
- CaO + SiO2 = CaSiO3
- CaO + Al2O3 = Ca(AlO2)2
Шлак плавиться близько 1100 °C і стікає в горно. Оскільки шлак легший від чавуну, він збирається над розплавленим чавуном і захищає його від окиснення. Розплавлений шлак, як і чавун, періодично випускають з домни. Доменний шлак використовують для виробництва будівельних матеріалів.
[ред.] Доменний газ
Доменний газ, крім азоту N2, діоксиду вуглецю CO2 та інших газів, містить близько 30 об'ємних процентів монооксиду вуглецю CO. Його спалюють у спеціальних печах — кауперах, в яких нагрівається повітря, що вдувається у домну. З метою підвищення продуктивності доменних печей і зниження собівартості одержуваного чавуну на багатьох металургійних заводах застосовують збагачене киснем повітря і дешевий природний газ. Заміна звичайного повітря збагаченим до 30 об'ємних процентів кисню повітрям, а також вдування у домну природного газу підвищує продуктивність домни на 10 і більше процентів і знижує витрати коксу до 20 %. Природний газ, який складається головним чином з метану, згоряє у домні з утворенням діоксиду вуглецю CO2 і водяної пари H2O. Останні, реагуючи з розжареним коксом, перетворюються в монооксид вуглецю CO і водень:
Внаслідок цього доменні гази збагачуються відновниками — монооксидом вуглецю і водню, а це прискорює процеси відновлення руди і зменшує витрати коксу.
[ред.] Властивості чавуну
[ред.] Білий чавун
У домнах одержують так званий білий чавун, який на зломі має білий колір. У ньому вуглець міститься частково в розчиненому стані, а частково у вигляді включень цементиту Fe3C. Білий чавун дуже твердий і крихкий, через що механічній обробці він не піддається, а при ударі легко розбивається на куски. Тому з білого чавуну ніякої продукції не виробляють, він переробляється на сталь і частково на сірий чавун.
[ред.] Сірий чавун
Сірий чавун має на зломі сірий колір, оскільки цементит частково розкладається:
і вуглець виділяється у вигляді пластинок графіту, які пронизують собою весь об'єм металу і роблять його сірим. Сірий чавун одержують тривалим видержуванням при температурі, близькій до температури плавлення білого чавуну, або при дуже повільному охолодженні розплавленого чавуну. Сірий чавун менш крихкий, ніж білий. З нього відливають різні деталі для машин, махові колеса, плити, станини для машин, каналізаційні труби тощо. Вироби з сірого чавуну механічній обробці не піддаються.
[ред.] Економіка чавуну
Експорт чавуну в Україні у 2005 склав 879.07 тис. тонн на 216.07 млн. доларів.
[ред.] Джерела
- Ф. А. Деркач "Хімія" Л. 1968
- Зворыкин А.А. История техники. 1962 р. —772 с.
