Чавун

Виробництво чавуну

Чаву́н — сплав заліза з вуглецем, який може містити 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% вуглецю, а чавуни — від 2,14 до 4% вуглецю і навіть більше.

Кришка каналізаційного люку, виготовлена з чавуну

Виробництво чавуну

Чавун одержують із залізної руди в спеціальних вертикальних печах, які називають доменними печами, або домнами. Доменні печі — це складні споруди з вогнетривкого матеріалу із зовнішньою сталевою обшивкою. Висота сучасних доменних печей сягає 30 м, а внутрішній діаметр — до 6 м.

Історія

Перша згадка про чавун зустрічається у китайському літописі «Цзочжуань» у записі, що стосується 513 р. до Р. Х.

Перший європейський чавун виплавляли на теренах Священної Римської імперії наприкінці XIV ст., майже одночасно в австрійській Штирії та Північній Італії

З 1500 р. до 1700 р. світова виплавка чавуну зросла приблизно з 60 тис. т. до 104 тис. т. (в 1,7 разів), а за все XVII ст. з 104 тис. т. до 278 тис. т. (1790), тобто в 2,67 разів. А за наступні 80 років з 1790 по 1870 виплавка чавуну склала 12 млн т., що в 43 рази більше ніж у 1790.

На частку Англії припадало в 60 роках XIX ст. понад 50% всього виплавленого чавуну. Але в другій половині XIX ст. Англію за темпами розвитку чорної металургії обігнали США та Німеччина.

Світове виробництво чавуну в 2009 склало 898 261 000 тонн, що на 3,2% нижче, ніж в 2008 рік у (927 123 000 т). Світова топ-десятка країн-виробників чавуну виглядає так:

Місце	Країна	Виробництво, млн. т
1	Китай	543,748
2	Японія	66,943
3	Росія	43,945
4	Індія	29,646
5	Південна Корея	27,278
6	Україна	25,676
7	Бразилія	25,267
8	Німеччина	20,154
9	США	18,936
10	Франція	8,105

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.

Схема доменного процесу. Приблизний розподіл температур по висоті домни.

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 1538 °C, а чавун 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.

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 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:

$CH_{4} + 2O_{2}=CO_{2} + 2H_{2}O \!$

$CO_{2} + C = 2CO \!$

$H_{2}O + C = CO + H_{2} \!$

Внаслідок цього доменні гази збагачуються відновниками — монооксидом вуглецю і водню, а це прискорює процеси відновлення руди і зменшує витрати коксу.

Види чавунів

Загальні положення

Чавуни, які виплавляють у доменних печах поділяють на:

• переробні, які використовуються для виробництва сталі у кисневих конверторах, електропечах, мартенівських печах;

• ливарні, які використовуються для одержання виливків у ливарних цехах машинобудівних чи ливарних заводів. Частка цих чавунів зменшується й не перевищує 10%.

Широке застосування чавунів у машинобудуванні пояснюється порівняно невеликою вартістю й добрими технологічними властивостями чавунів — високою рідкотекучістю й незначною (~ 1%) усадкою під час кристалізації та наступного охолодження, здатністю легко оброблятися різанням, можливістю зміни властивостей термообробкою й легуванням. Найкращі ливарні властивості мають евтектичні чавуни, оскільки в них менший температурний інтервал кристалізації.

Залежно від хімічного складу та умов кристалізації Карбон в чавунах може кристалізуватися як у вільному стані у вигляді графіту, так і у вигляді сполуки з Ферумом — цементиту Fe₃C. Залежно від стану Карбону в чавунах, їх класифікують на білі та машинобудівні чавуни.

Білий чавун

У білих чавунах весь карбон перебуває в цементиті. Завдяки цементиту такі чавуни мають білий блискучий злам, від кольору якого і походить їх назва. Структуру білих чавунів у рівноважному стані творять дві фази — ферит та цементит. За рахунок твердого цементиту, кількість якого збільшується зі збільшенням вмісту карбону, білі чавуни мають високу твердість (450…550 НВ), дуже крихкі, практично не підлягають різанню лезовим інструментом. Тому в машинобудуванні білі чавуни мають обмежене застосування. Їх використовують тільки як зносотривкий матеріал для відливання деталей шламових насосів, гідроциклонів, доменних печей, кульових млинів для розмелювання руд. З виливків білого чавуну отримують ковкі чавуни.

Машинобудівні чавуни

Машинобудівні чавуни відливають за таких умов, що забезпечують повну або часткову графітизацію — виділення графіту. Тому властивості цих чавунів визначаються не тільки структурою металевої основи (ферит, перліт), але й формою, розмірами, кількістю й характером розташування в основі графітних виділень. Виливки з цих чавунів добре обробляються різанням й не підлягають обробці тиском.

Чавуни з пластинчастим графітом

Виливки з чавунів з пластинчастим графітом одержують безпосередньо заливанням розплавленого металу в ливарні форми. Графіт під час кристалізації формується у вигляді вигнутих пелюсток, пластинок. Такий графіт називають пластинчастим. Наявність у структурі вільного графіту зумовлює матовий сірий колір зламу, від якого походить інша назва цих чавунів — сірі чавуни.

Пластинчастий графіт порушує суцільність металевої основи, створює на краях пелюсток зони сильної концентрації напружень, і тому сірі чавуни характеризуються низькою міцністю на розтягування, згинання, скручування й дуже низькою пластичністю . Максимальна границя міцності на розтягування цих чавунів не перевищує 450 МПа. За ГОСТ 1412-85 марки чавунів з пластинчастим графітом позначаються літерами СЧ (С — сірий, Ч — чавун) і числами, які відповідають мінімально допустимим значенням границі міцності на розтягування σ_в у МПа•10-1 (наприклад СЧ 35).

Їх рекомендується використовувати для виробів, що підлягають переважно стисканню. Та завдяки пластинчастому графіту в сірих чавунах вдало поєднуються добрі антифрикційні властивості, зносотривкість, здатність гасити вібрації та мала чутливість до концентраторів напружень. З них відливають різні деталі для машин, махові колеса, шківи, плити, станини та столи верстатів, корпуси електродвигунів тощо.

Чавуни з кулястим графітом

Чавуни з кулястим графітом порівняно з іншими чавунами мають вищу пластичність, ударну в'язкість й одночасно міцність (за що їх називають високоміцними), що насамперед зумовлено кулястою формою графіту, яка забезпечується сфероїдизуванням. Сфероїдизування полягає у введенні в розплав малих додатків (0,03…0,06%) сфероїдизувальних металів — магнію, церію, кальцію, під дією яких графіт кристалізується у формі кульок, які мінімально послаблюють металеву основу чавуну.

За ДСТУ 3925-99 умовне позначення марки містить літери ВЧ (В — високоміцний, Ч — чавун), цифрове позначення мінімального допустимого значення границі міцності на розтягування σ_в у МПа та через дефіс — відносне видовження δ у відсотках. Максимальну міцність має чавун марки ВЧ 1000-2.

З них виготовляють розподільні й колінчасті вали, блок-картери, головки циліндрів, шатуни, поршні, поршневі кільця в автомобілебудуванні; супорти, шпинделі, зубчасті колеса у верстатобудуванні; плити гідравлічних пресів, напрямні та плунжери ливарних машин, напірних труб для води, нафти, агресивних рідинних та газових середовищ.

Чавуни з вермикулярним графітом

Чавуни з вермикулярним графітом також одержують модифікуванням маґнієм, тільки в меншій кількості, що зумовлює утворення вермикулярного графіту у формі графітних пелюсток із заокругленими краями, менших розмірів та грубших порівняно з пластинчастим графітом. Марки цих чавунів позначають подібно як і високоміцних, наприклад ЧВГ 400-4.

За однакової структури металевої основи механічні властивості чавунів з вермикулярним графітом проміжні між властивостями сірих з пластинчастим та високоміцних з кулястим графітом. Вони переважають сірі чавуни за пластичністю, ударною в'язкістю, корозійною тривкістю, герметичністю, а високоміцні — за здатністю гасити вібрації, оброблятися різанням, меншою вартістю (дешевші на 20…30%).

Ковкі чавуни

Ковкі чавуни одержують шляхом тривалого графітизувального відпалу виливків з білого маловуглецевого (2,4…2,9% С) чавуну. Відпал при високій температурі спричиняє розкладання метастабільного цементиту з утворенням графіту компактної форми з кошлатими краями, так званого графіту відпалу. За впливом на механічні властивості чавуну такий графіт займає проміжне положення між пластинчастим і кулястим графітом. Структура металевої основи ковких чавунів — від феритної до перлітної — залежить від хімічного складу та режиму термічної обробки виливків з білого чавуну.

За ГОСТ 1215-79 марки ковких чавунів позначають літерами КЧ (К — ковкий, Ч — чавун), після яких вказуються мінімально допустимі значення границі міцності на розтяг у МПа•10-1 й через дефіс — відносного видовження у відсотках (наприклад, КЧ 30-6).

Істотним недоліком виробів з ковких чавунів є висока вартість внаслідок тривалого високотемпературного відпалу та обмеження розмірів.

Економіка чавуну

Експорт чавуну в Україні у 2005 склав 879.07 тис. тонн на 216.07 млн. доларів.

Джерела

• Ф. А. Деркач «Хімія» Л. 1968
• Зворыкин А. А. История техники. 1962 р. —772 с.
• В. Попович, А. Кондир, Е. Плешаков та ін. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство: Практикум: Навч. посібник. — Львів: Світ, 2009. — 552 с.

Посилання

• Metallurgy of Cast Irons, Cambridge University
• Paper on the Tay bridge disaster