В годы пятилеток в СССР были созданы мощные металлургические комбинаты, оснащенные новейшим техническим оборудованием. В результате Советский Союз в 1934 г. занял второе место в мире по производству чугуна, а по производству стали обогнал все европейские страны. В развитии металлургической промышленности большую роль сыграли рабочие-новаторы производства, которые резко повысили производительность доменных, мартеновских и других печей, а также советские ученые: А. А. Байков, М. А. Павлов, И. П. Бардин, А. А. Бочвар и др. Под их руководством строились крупнейшие металлургические комбинаты, мощные доменные печи и внедрялись новые совершенные методы производства черных металлов.

2. Получение чугуна

Исходными материалами для получения чугуна являются: железные руды, топливо, флюсы.

Чугун получается из железных руд в результате их расплавления в доменных печах. Железная руда добывается из недр земли и представляет сложное вещество, состоящее из окислов железа и различных пустых пород. Пустыми породами называют вещества, входящие в состав железных руд, в которых нет железа:

Главнеишими видами руд являются:
а) магнитный железняк, или магнетит Fe:;04. Химически чистый магнетит содержит железа 72,4; руда имеет черный или темносерый цвет и обладает магнитными свойствами;
б) красный железняк, или гематит Fe203; содержание железа в химически чистом гематите достигает 70/
в) бурый железняк, или лимонит 2Fe203 • ЗН20; руда имеет темный цвет с бурыми ржавыми пятнами и содержит железа до 60%,
г) шпатовый железняк, или сидерит FeC03 содержит железа до 48%.

Топливо необходимо для расплавления железной руды в доменной печи. Топливом для доменных печей служат древесный уголь и каменноугольный кокс. Древесный уголь в силу слабой механической прочности разрушается, не выдерживая давления материалов, и поэтому используется в доменных печах малого размера. На древесном угле плавятся железные руды для получения качественного чугуна.

Большинство доменных печей работает на коксе, который обладает высокой механической прочностью и при сгорании выделяет большое количество тепла; он содержит более 80о/о углерода. Кокс получается из каменного угля в коксовальных печах. Особые сорта каменных углей, так называемые спекающиеся, подвергаются в печах нагреванию до 950—1000° без доступа воздуха, в результате чего получается кокс.

Кроме железной руды и топлива, в доменную печь загружают определенное количество флюсов. В качестве флюсов применяется главным образом известняк СаС03. Флюсы способствуют понижению температуры плавления пустых пород и образованию жидкотекучего шлака. Расплавленные пустые породы руды носят название доменного шлака.

Железная руда, добытая из недр земли, перед загрузкой в доменную печь подвергается предварительной обработке и обогащению. Крупные куски руды, рудную мелочь и пыль загружать в доменную печь нельзя, так как будет нарушаться нормальный ход плавки. Поэтому руду дробят специальными дробильными машинами, после чего она подвергается обработке на грохотах, о результате такой обработки руда сортируется по крупности и из нее отсеивается рудная мелочь и пыль. Рудная мелочь подвергается агломерации, т. е. спеканию в куски на специальных машинах. С целью повышения содержания железа в руде и уменьшения в ней количества вредных примесей производится ак называемое обогащение железной руды.

Существуют различные способы обогащения: мокрое обогащение, обжиг руды, магнитная сепарация. При мокром обогаще-она пРомывается водой в специальных машинах, откуда

уносит некоторое количество пустых пород (глинистых, песчаных), находящихся в руде, и тем самым повышается процент содержания железа. Обжигом руд достигается удаление влаги, углекислоты, серы, а кроме того, увеличивается пористость отдельных кусков руды, что способствует лучшему восстановлению железа в доменном процессе. Магнитная сепарация руды дает

возможность отделять кусочки руды, содержащие в себе окислы железа, от пустых пород. Этот вид обогащения производится в специальных аппаратах, называемых магнитными сепараторами. Кусочки железной руды, поступающие в магнитный сепаратор, намагничиваются и притягиваются к барабану, а пустая порода скатывается с барабана в специальную воронку. Таким образом происходит обогащение руды.

Общий вид доменной печи показан на рис. 5. Внутренняя часть доменной печи выкладывается из огнеупорного шамотного кирпича, снаружи она заключена в стальную броню. Высота современных печей достигает 32 м. Доменная печь устанавливается на железобетонном фундаменте. Нижняя, цилиндрическая часть высотой 3— 3,5 м и диаметром 7—8 м называется горном. Внутри горн выложен огнеупорным шамотным кирпичом. Дно горна толщиной от 3,5 до 5 м называется лещадь и выкладывается из шамотного кирпича высшей огнеупорности. На лещади накапливается расплавленный чугун и шлак. Около лещади имеется отверстие 3 для выпуска чугуна, называемое чугунной леткой. Несколько выше имеется второе отверстие, так называемая шлаковая летка, через которую выпускается шлак. В верхней части горна находятся фурмы (от 12 до 18 шт.), расположенные симметрично по окружности печи. Через фурмы поступает в доменную печь воздух с помощью воздуходувной машины. Воздух предварительно подогревается в специальных воздухонагревателях. Над горном расположены заплечики; имеющие форму усеченного конуса, повернутого вершиной вниз. Высота их около 3 м. Над заплечиками находится распар, имеющий цилиндрическую форму. Высота распара 1,5—2,7 м. Над распаром находится область печи, называемая шахтой. Шахта имеет коническую форму высотой 14,5—16 м. Верхняя часть шахты называется колошником, имеет цилиндрическую форму. Высота колошника 2—3 м, диаметр 5—7 м. В колошник загружаются свежие порции сырых материалов (железная руда, топливо, флюсы). Над колошниковой частью доменной печи устанавливается засыпной аппарат, с помощью которого производится загрузка доменной печи.

Рис. 5. Схема доменной печи

Над колошником устанавливаются специальные газоотводы по которым отводится колошниковый газ, который используется в качестве топлива для подогрева воздуха, поступающего в печь для коксовальных и мартеновских печей и других целей.

Работа доменной печи представляет сложный процесс, в результате которого происходит разложение флюсов, восстановление железа из его окислов, науглероживание железа, образование чугуна, плавление пустых пород и образование шлака.

Известняк, применяющийся обычно в качестве флюсов, попадая в доменную печь, в первую очередь освобождается от имеющейся в нем влаги. Разложение известняка СаС03 на окись кальция СаО и углекислый газ С02 начинается при нагреве его до 600° и заканчивается полностью при температуре 1000° и выше.

Восстановление железа из его окислов в доменной печи осуществляется при помощи химических элементов, с которыми кислород соединяется более жадно, чем с железом. Такими элементами являются СО — окись углерода, С — углерод и Н2 — водород. Восстановление железа протекает следующим образом: руда при температуре 400°, подвергаясь воздействию окиси углерода (СО), отдает часть своего кислорода, в результате чего образуется магнитная окись железа Рез04 и углекислый газ С02; при этом выделяется некоторое количество тепла.

По мере того, как руда опускается в зону более высоких температур, процесс восстановления протекает интенсивнее. Образовавшаяся в верхней части шахты магнитная окись железа Рез04 в результате взаимодействия с окисью углерода СО превращается в закись железа FeO. Закись железа при дальнейшем опускании руды в нижнюю часть шахты под действием окиси углерода СО превращается в металлическое железо. Восстановление железа окисью углерода происходит только до 950° и называется косвенным восстановлением. Выше 950° происходит прямое восстановление, т. е. восстановление твердым углеродом.

Восстановленное железо из руды сначала получается в твердом состоянии с малым содержанием углерода. Но так как железо обладает способностью при высоких температурах растворять в себе Углерод, то при соприкосновении с углеродом кокса происходит науглероживание восстановленного железа, в результате чего получается железоуглеродистый сплав, называемый чугуном. Чистое железо плавится при температуре 1535°, но по мере того как Роисходит его науглероживание и образуется железоуглеродистый сплав, температура плавления начинает понижаться. Как только содержание углерода в чугуне достигнет 4,3%, температура его плавления понижается до 1130—1135°, и начинают появляться первые капельки чугуна, которые стекают в горн доменной печи. По пути в горн, а также и в самом горне чугун насыщается остальными примесями, т. е. кремнием, марганцем, фосфором и серой.

Процесс расплавления пустой породы руды с флюсами называется шлакообразованием. Образование шлака происходит постепенно. Сначала пустая порода руды, смешанная с флюсами, размягчается, затем при температуре 1300—1400° она расплавляется, образуя доменный шлак. Расплавление пустой породы обычно происходит в распаре и заплечиках. Образовавшийся шлак стекает в горн доменной печи.

Температура в различных зонах доменной печи. Самая высокая температура развивается в горне доменной печи. У фурм, где происходит сгорание топлива, температура поднимается до 1800—1900°. На лещади температура примерно равна 1500°. В заплечиках температура колеблется от 1350 до 1500°; в распаре 1000—1350°, в нижней части шахты она равна 900—1000°, в верхней части 500—600°. В колошнике температура находится в пределах от 80 до 350°.

Продуктами доменной плавки являются: чугун, доменный, или колошниковый, газ и шлак. Шлак, образующийся в доменной печи, в результате расплавления пустой породы периодически выпускается через шлаковую летку.

Доменный шлак применяется для изготовления шлакобетона, шлакового цемента, шлаковой ваты, и т. д. Шлак, идущий на переработку в цемент, предварительно подвергается грануляции, заключающейся в том, что жидкий шлак из доменной печи поступает в бассейн с водой; смешиваясь с ней, он превращается в мелкие зерна, или песок.

Доменный, или колошниковый, газ —ценный вид горючего; он получается в доменной печи в результате горения кокса, восстановления железа из окислов и разложения известняков.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой, в котором содержание углерода колеблется от 1,7 до 6,67%. Углерод может находиться в чугуне в химически не связанном состоянии с железом, т. е. в виде свободного графита, располагающегося равномерно по всей массе чугуна блестящими черными чешуйками, либо в виде химического соединения с железом Fe3C, которое носит название цементита. Состояние углерода в чугуне оказывает большое влияние на его механические свойства. Выделению углерода в виде графита способствует кремний, а образованию цементита—марганец. Сера и фосфор являются вредными примесями, ухудшающими механические свойства чугуна. Сера придает чугуну красноломкость (хрупкость металла в нагретом состоянии) и ухудшает литейные качества. Фосфор придает ему хладноломкость (хрупкость металла в холодном состоянии). Сера вносится в чугун из кокса, а фосфор из руды при ее плавке.

3. Сорта чугунов и их свойства

Выплавляемые в доменных печах чугуны подразделяются на литейные (серые), передельные (белые), природнолегированные и специальные (ферросплавы). В литейном чугуне углерод находится в виде свободного графита. В изломе литейный чугун имеет серую поверхность с зернистым строением. Он менее хрупок, чем передельный чугун, и хорошо поддается обработке оежуш.им инструментом. В расплавленном состоянии литейный чугун обладает высокой жидкотекучестью, хорошо заполняет литейные формы; благодаря своим высоким литейным качествам этот чугун широко применяется для производства различных чугунных отливок. Содержание кремния в литейных чугунах значительно выше, чем в передельных, и колеблется в пределах от 1,25 до 4,25%.

Передельный (белый) чугун содержит углерод в химически связанном состоянии с железом, т. е. в виде цементита. Он имеет серебристый цвет в изломе и мелкозернистое строение. Передельный чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и трудно поддается обработке режущим инструментом. Кроме того, он имеет плохие литейные свойства. Используется белый чугун главным образом для переработки в сталь.

Природнолегированные чугуны выплавляются в доменных печах из железных руд, которые, кроме железа, содержат различные цветные металлы, как, например: хром, ванадий, медь, никель и др. Такие чугуны обладают более высокими механическими свойствами. Специальные чугуны, или доменные ферросплавы, отличаются тем, что в них имеется повышенное содержание кремния или марганца. Ферросплавы применяются в сталеварении в качестве раскислителей (для удаления излишков кислорода, растворенного в металле, а также в чугун-но-литейном производстве для получения чугуна определенного химического состава).

Наиболее употребительны следующие ферросплавы:
1) ферросилиций — содержащий кремния до 13% и более;
2) ферромарганец — чугун с высоким содержанием марганца, до 80%:
3) зеркальный чугун — содержащий марганца от 10 до 25%.

Ковким чугуном называется белый чугун, который посредством термической обработки — отжига частично обезугле-родился и изменил свою структуру. Такой чугун по своим механическим свойствам занимает промежуточное положение между

ерым чугуном и сталью; название ковкий получил условно и ковке не подвергается. Ковкий чугун очень хорошо обрабатывая и обладает большей вязкостью, чем серый чугун Ковкий Угун может быть двух видов: ферритный и перлитный. Получение ковкого чугуна осуществляется следующим образом: сначала детали из белого чугуна, после чего их подвергают отжигу в специальных печах. Отжиг изделий может производиться в нейтральной или ительной среде. При отжиге в нейтральной среде изделия укладывают

в отжигательные горшки, пересыпают песком и загружают в печи. Процесс отжига заключается в том, что изделия нагреваются до 850—950°, выдерживаются при этой температуре в течение 20—50 часов и затем охлаждаются. В результате такого отжига структура ковкого чугуна будет состоять из феррита и углерода отжига. Ковкий чугун, полученный таким образом, называется ферритным, в изломе он имеет черный цвет, благодаря Чему его называют также черносердечным ковким чугуном.

Перлитный ковкий чугун получается путем отжига изделий в окислительной среде. Изделия из белого чугуна укладывают в отжигательные горшки и пересыпают железной рудой, или окалиной. Отжигательные горшки с изделиями загружают в печь. Процесс отжига для получения перлитного ковкого чугуна протекает следующим образом. Изделия нагреваются до температуры 950—980°. Выдержка при этой температуре дается от 60 до 100 часов. После выдержки производится охлаждение. При отжиге изделий в окислительной среде, кроме изменения структуры чугуна, происходит обезуглероживание его поверхности. Перлитный ковкий чугун имеет в изломе светлый цвет, отчего иногда он называется светлосердечным ковким чугуном.

В автомобилестроении для изготовления ряда деталей применяются серый, легированный и ковкий чугуны. Из серого чугуна отливаются блоки цилиндров, поршневые кольца, направляющие клапанов, маховики, картеры коробок передач, ведущие диски сцеплений и др. Легированный чугун, представляющий серый чугун с присадками различных цветных металлов (никель, хром, титан, медь и др.), применяется для изготовления головок блоков, гильз цилиндров, седел выпускных клапанов и др.

Ковкий чугун применяется для изготовления различных кронштейнов, опор двигателя, а также поршней двигателя ЯАЗ-204 (перлитный ковкий чугун).