post

Чугун и металургия на чугуна

плакат на междузвездни войни

Чугун – представлява сплав на желязото с 2 до 5% масови части въглерод. За неговото производство се използват железни руди (хематит, магнетит, лимонит и сидерит) и понякога манганови руди. Изискване към рудите необходими за направата на чугун е те да не съдържат сяра, цинк, фосфор и арсен. Тези химични елементи влошават физико-механичните свойства на получената сплав.

Видове чугун

Бял чугун

Въглеродът в белия чугун не е под формата на графит. Той е свързан с желязото и образува циментит, който от химична гледна точка представлява железен карбид Fe3C. За разлика от сивия чугун, белият съдържа повече манган и по-малко силиций. Той е крехък, липсва му ковкост и не може да се заварява. Главната му употреба е като суровина за получаването на стомана.

видове чугун

видове чугун: бял, сив, ковък и сферографитен

Сив чугун

Въглеродът в сивия чугун е под формата на люспи от свободен графит. Названието на сплавта идва от цвета на графита. Съдържанието на силиций в сивия чугун е по-голямо от това в белия. Той е най-произвежданият вид, въпреки че не може да се кове или обработва в топло или студено състояние. Тъй като се лее отлично, се използва в производството на радиатори, печки, машинни елементи, вани, инструменти и др. Силно устойчив е на натиск и затова се употребява в носещи колони. Неустойчив е на опън и затова не се използва като материал за носещи греди.

Ковък чугун

Ковкият чугун изначало се излива като бял, който впоследствие преминава термична обработка при около 950°С. Това променя вътрешната структура на сплавта, което от своя страна изменя физическите ѝ качества и я прави ковка.

Сферографитен чугун

При сферографитния чугун въглеродът е разположен под формата на сферични възли, а не на люспи както е при сивия, което определя и различните му физико-механични свойства. Последните се доближават до тези на ковкия чугун.

Металургия на чугуна

Често към рудите се прибавят и топилни добавки (флюси). Тяхната цел е да отстранят инертните съставки в рудата – скали и пясък. Например ако рудата съдържа варовици, тогава се използват добавки с кисел характер, които съдържат пясък (SiO2) и обратното, при наличието на силикатни примеси се добавят варовици. Топилните добавки образуват шлак с наличните инертни материали. Шлакът (шлаката) е по-лек от чугуна и се отстранява лесно.

Горивото използвано от доменните пещи за получаването на чугун е кокс, който е обогатен на въглерод или природен газ. Той се получава при високотемпературна суха дестилация на черни въглища. Те не трябва да съдържат повече 1% сяра и да са на едри късове. В миналото кокс в България се е получавал в металургичния комбинат Кремиковци.

Предварителна подготовка

За да се отстранят глината и пясъка, се използва вода за тяхното отмиване. Въздухът необходим за окислението на въглерода се нагрява предварително от 750 до 1300°С и се подава под налягане.  Магнетитовите руди се обогатяват посредством електромагнитна сепарация.

Доменна пещ

доменна пещ, чугун

доменна пещ за производството на чугун и желязо

Основното съоръжение за получаване на желязо и съответно на чугун е доменната пещ. Тя наподобява пресечен конус, който е изграден от огнеупорни тухли и е обвит от стоманен кожух. Корпусът на пещта образува висока шахта. През нейното гърло в горната ѝ част се сипват коксът и рудата с топилните добавки. Отдолу те се нагряват от постъпващите горещи газове.

В най-долната част на доменната пещ протичат стапянето и последните химически реакции. Там се отлагат полученият чугун и шлаката. Посредством отвори те се извеждат периодично от пещта. Целият процес е напълно автоматизиран.

Към всяка доменна пещ има и допълнителни съоръжения. Те включват складове за рудата и кокса, наклонен подемник за тяхното транспортиране, циклони и филтри за очистване на газовете, компресори и въздухонагреватели (каупери).

Функциониране и процеси в доменната пещ

В доменната пещ се формират два потока. Първият е постъпващата руда и кокс надолу, а вторият е на газовете нагоре. Последните се наричат доменни газове и са изключително богати на прах, въглероден диоксид и водороден цианид. През газоотводи те постъпват в циклоните и електрофилтрите, където се изчистват. След това газовете се рециклират, като се използват чрез изгаряне за загряване на въздуха в кауперите.

Доменната пещ може да се раздели условно на няколко температурни зони. Първата отгоре надолу е при температури между 500 и 800°С. В нея се изпарява остатъчната вода от рудата и кокса, след което железните съединения реагират с въглеродния оксид от постъпващите газове.

3Fe2O3 +CO → 2Fe3O4+ CO2

Fe3O4 +CO → 3FeO + CO2

FeO +CO → Fe + CO2

В следващата зона се формира шлаката при температури между 800 – 1200 градуса.

CaCO3  → CaO + CO2

CaO + SIO2 → CaSiO2

В зоната между 1140 и  1300°С се осъществява сплавянето на желязото с въглерода. В четвъртата зона между 1300 и 1800 градуса, металът се втечнява и разтваря допълнителни количества въглерод.

Температурите около 1900 – 2000 градуса се поддържат в най-долната част на пещта. Там се вдухва нагорещеният въздух и кислородът се изчерпва моментално, защото реагира с кокса:

C + O2 → CO2

Полученият въглероден диоксид взаимодейства с останалия кокс, при което се образува въглероден оксид. За него вече казахме, че се използва в най-горния участък на доменната пещ.

C + CO2 → 2CO

Полученото желязо или чугун се събира на дъното на пещта. Отпадъчната шлака се използва при производството на цимент. При нейното формиране е желателно флюсите да са в малък излишък, за да се избегне загубата на желязо.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *