Этапы производства изделий из чугуна

Чугун — это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержание углерода в котором обычно находится в диапазоне от 2 до 4 %. Он является одним из старейших известных сплавов, используется с древних времен благодаря своей прочности, износостойкости и относительно низкой температуре плавления по сравнению с чистым железом. Прочность, стойкость к коррозии и отличные литейные свойства делают чугун популярным материалом для создания широкого спектра продукции, от деталей и канализационных люков до элементов мебели и уличных фонарей.

Давайте рассмотрим этапы производства изделий из чугуна, начиная с добычи и обработки сырья и заканчивая финишной подготовкой готового продукта.

Краткая история производства чугуна

Первые упоминания о железных изделиях, которые могли быть предшественниками чугуна, относятся к древним цивилизациям, таким как Ассирия и Египет. Однако до появления технологий массового производства железа и чугуна его использование было ограничено из-за сложности извлечения и обработки.

Китайцы первыми начали полноценно использовать чугун в I тысячелетии до нашей эры. Они разработали методы литья чугуна для производства орудий, инструментов и различных предметов обихода. Культура обработки металлов в Китае была высоко развита, и именно там впервые стали широко использовать чугун благодаря усовершенствованным методам доменного плавления.

В средневековой Европе производство чугуна начало развиваться значительно позже, в конце XIV — начале XV века. Это было время активного роста металлургии, связанного с развитием военного дела и производства сельскохозяйственного инвентаря.

В XVIII веке в Европе, особенно в Англии, произошел рывок в производстве чугуна, связанный с промышленной революцией. Новый способ получения чугуна в доменных печах, использующих коксовый уголь, сделал производство более эффективным. Это привело к резкому увеличению его использования в строительстве, а также производстве машин и оборудования.

В XX веке и позднее технологические улучшения позволили еще больше развить интеграцию чугуна в различные отрасли промышленности. Были разработаны новые марки чугуна с улучшенными характеристиками для специализированных применений.

Виды литья чугуна

Литье чугуна — это процесс формования изделий из расплавленного чугуна путем его заливки в формы. Существует несколько методов литья чугуна, каждый из которых подходит для определенных типов изделий и производственных условий:

• песчаное литье — наиболее распространенный метод, при котором используются формы из песчаных смесей;
• литье в кокиль — метод подразумевает использование металлических форм, которые могут использоваться многократно;
• центробежное литье — расплавленный чугун заливается в быстро вращающуюся форму;
• прецизионное (точное) литье — литье по выплавляемым моделям, при котором формы изготавливаются с высоким уровнем детализации и точности;
• литье по газифицируемым моделям — включает использование моделей из сополимера или пенополистирола, которые сгорают при заливке расплавленного металла;
• литье под давлением — хотя этот метод более характерен для металлов с низкой температурой плавления, он может быть использован и для некоторых чугунных изделий, позволяет изготавливать мелкие и точные детали с хорошей поверхностью.

Основные этапы производства изделий из чугуна

Несмотря на то, что методов литья чугуна, также как и видов чугуна, достаточно много, существуют основные моменты его производства. Чтобы понять, как именно производится этот сплав, необходимо рассмотреть ключевые этапы процесса выплавки чугуна.

Этап 1: Подготовка сырья

Производство чугуна начинается с подготовки сырьевых материалов. Она включает в себя предварительную обработку железной руды для увеличения содержания железа, а также производство кокса из каменного угля. Флюсы, такие как известняк, также подготавливаются для добавления в процесс.

Подготовка производится в таком порядке:

• Обогащение руды. Цель обогащения — увеличение содержания железа в руде и удаление нежелательных примесей. Сюда входит измельчение руды, сепарация металлических частиц от пустой породы и дальнейшая магнитная сепарация.
• Пеллетизация или агломерация. Из мелкодисперсной руды могут изготавливаться агломераты или пеллеты. Агломерация включает в себя нагрев и спекание руды с добавками, что улучшает ее механическую прочность и ее пригодность для доменной плавки.
• Производство кокса. Кокс производится из каменного угля путем пиролиза в коксовых печах. Уголь нагревается в отсутствие кислорода, что приводит к удалению летучих компонентов и образованию прочного, чистого углеродного материала — кокса.
• Контроль качества. Высококачественный кокс должен иметь высокую механическую прочность, низкое содержание примесей, таких как сера и зола, и хорошие термические свойства для поддержания нужной температуры внутри доменной печи.
• Выбор флюсов. Известняк (CaCO₃) является наиболее распространенным флюсом. Он добавляется для связывания примесей, таких как кремнезем (SiO₂), и образования шлака.
• Подготовка флюсов. Флюсы должны быть очищены и просеяны для достижения оптимального размера частиц. Это улучшает их реакционную способность и равномерность распределения в доменной печи.
• Переработанные материалы. Иногда используются стальные отходы или оставшиеся продукты предыдущих плавок — они помогают улучшить химический состав конечного продукта и сделать процесс более экономичным.
• Добавки для корректировки. В зависимости от требуемого качества чугуна, могут использоваться специализированные добавки для корректировки содержания таких элементов, как марганец или кремний.

Подготовленные компоненты затем транспортируются к доменной печи, где в процессе плавления взаимодействуют для получения высококачественного чугунного сплава.

Этап 2: Загрузка подготовленного сырья в доменную печь
Загрузка подготовленного сырья в доменную печь — это ключевой этап в процессе доменной плавки, который требует точности и аккуратности.

Шихта включает в себя равномерное и тщательно подобранное соотношение железорудных материалов, кокса и флюсов. Это соотношение определяется в зависимости от желаемого состава конечного чугуна и характеристик используемой печи. Материалы загружаются в печь слоями. Традиционно, слои кокса чередуются с слоями железной руды и флюсов, чтобы обеспечить равномерность плавления и реакций внутри печи.

Материалы транспортируются к верхней части печи с помощью конвейерных систем. Этот процесс должен быть синхронизирован, чтобы обеспечить равномерную загрузку. Очень часто используются специальные ковши и лифты, которые загружают материалы в печь с открывающимся и закрывающимся клапаном.

Обычно сначала загружают некоторое количество кокса, чтобы подготовить «коксовую подушку» на дне печи, что способствует лучшему горению и образованию необходимых термических зон. После первой загрузки кокса происходит чередование слоев кокса, руды и флюсов, что поддерживает постоянное поступление всех необходимых компонентов и улучшает теплообмен.

Современные доменные печи оснащены системами мониторинга температуры и давления, что позволяет контролировать процесс загрузки и вовремя вносить коррективы. Используются механизмы для распределения материалов по диаметру печи, чтобы избежать каменьев (комков) и обеспечения равномерного и оптимального взаимодействия материалов.

Многие современные доменные печи имеют автоматизированные системы управления загрузкой, которые помогают управлять и оптимизировать процесс без непосредственного вмешательства оператора.

Все операции должны сопровождаться эффективной системой удаления и очистки дымовых газов, чтобы минимизировать выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.

 Этап загрузки сырья в доменную печь непосредственно влияет на эффективность плавления и качество конечного чугуна, а потому требует тщательного контроля и оптимизации.

Этап 3: Редукция и плавление

В нижней части доменной печи кокс сжигается в присутствии нагретого дутья, создавая высокие температуры и образуя угарный газ. Этот газ, поднимаясь вверх по печи, восстанавливает оксиды железа, превращая их в металлическое железо. В процессе плавления железо собирается в жидкой форме внизу печи.

Этап 4: Слив расплавленного чугуна

В нижней части доменной печи предусмотрены специальные отверстия, называемые фурменными приямками или летками, через которые сливается расплавленный чугун. Эти отверстия обычно защищены специальными огнеупорными материалами, которые предотвращают эрозию при высоких температурах.

В процессе плавления образуется два слоя жидкости — нижний слой, содержащий расплавленный чугун, и верхний — шлак. Поскольку шлак легче, он плавает на поверхности жидкого чугуна. Перед сливом чугуна шлак удаляется через отдельные отверстия или каналы для шлака. Это осуществляется с помощью наклонных желобов, которые отводят шлак в шлаковозы.

После удаления шлака осуществляется пробой фурменного отверстия для слива чугуна. Это достигается с помощью прокалывания или бурения специальных пробок, удерживающих расплав до начала слива.

Расплавленный чугун начинает стекать через фурменное отверстие в каналы и по наклонным желобам направляется в подготовленные чугуновозные ковши. После наполнения ковши с расплавленным чугуном транспортируются к другим металлургическим агрегатам, например, конверторам или электродуговым печам для дальнейшей обработки и формирования из него чугунных изделий.

Этап 5: Очистка и повторное использование доменного газа

Доменный газ — это побочный продукт, образующийся в процессе доменного производства чугуна. Он создается в результате высокотемпературных химических реакций, протекающих внутри доменной печи, когда происходит восстановление железной руды с помощью кокса. Перед тем, как доменный газ может быть использован, он проходит через систему очистки, которая удаляет из него твердые частицы (например, пыль и золу) и нежелательные химические примеси. Для этого используют пылеуловители и скрубберы.

Утилизация и использование доменного газа на предприятии в качестве топлива позволяет снизить потребление природного газа и других ископаемых видов топлива, что ведет к экономии и снижению выбросов парниковых газов. Его правильная очистка и обработка необходимы для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу.

Этап 6: Непосредственно литье чугуна

Литье чугуна производится в заранее подготовленные литейные формы, в которых металл будет затвердевать. Литейные формы могут быть изготовлены из различных материалов, чаще всего используются:

• одноразовые песчаные формы — наиболее распространенные, особенно для одноразового применения, создаются с использованием специального песка и связующих веществ;
• металлические формы (кокили) — применяются для повторяющегося использования и создания сложных деталей, требующих точной геометрии;
• центробежное литье — используется для создания труб, цилиндрических деталей, и полых изделий.

После подготовки форм начинается основной процесс — заливка жидкого чугуна. Этот процесс может происходить различными методами, в зависимости от типа изделия и желаемого качества.

После заливки чугуна начинается процесс затвердевания. Жидкий чугун охлаждается и кристаллизуется, принимая форму литейной полости. Процесс охлаждения может занимать от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от размера и толщины изделия. В этот момент скорость охлаждения тщательно контролируется, так как слишком быстрое охлаждение может привести к дефектам в структуре материала.

После полного затвердевания чугунного изделия форму разбивают или извлекают, чтобы освободить готовую деталь. В случае использования песчаных форм они, как правило, одноразовые и после извлечения изделия разрушаются. Кокили используются многократно. Этот этап также может включать удаление остатков литниковой системы и элементов формы.

Этап 7: Очистка, термическая и механическая обработка

Извлеченное изделие подвергается дальнейшей обработке, включающей в себя удаление излишков металла, которые могли образоваться в местах соединения частей формы.

Дробеструйная или пескоструйная обработка — для удаления песка, окалины и других загрязнений с поверхности изделия. После производится шлифовка и полировка изделия для получения гладкой поверхности и устранения неровностей.

Для улучшения механических свойств чугунного изделия может потребоваться термическая обработка, которая заключается в его нагреве до определенной температуры с последующим контролируемым охлаждением. Этот процесс помогает снять внутренние напряжения и улучшить структуру чугуна, делая его более прочным и устойчивым к нагрузкам.

Если изделие требует высокой точности или сложных геометрических форм, его дополнительно подвергают механической обработке на станках. Эти процессы помогают придать изделию точные размеры и форму, а также улучшить его функциональные характеристики.

Этап 8: Контроль качества

На завершающем этапе проводится контроль качества готового изделия. Он может включать:

• визуальный осмотр на наличие дефектов, таких как трещины или поры;
• проверку размеров и допусков;
• испытания на прочность, твердость и другие механические свойства.

Чугун, как один из древнейших и наиболее универсальных металлов, продолжает занимать важное место в современной промышленности. Его история, уходящая корнями в тысячелетия, представляет собой эволюцию металлообработки и инженерии, начиная с первых примитивных методик выплавки и заканчивая сложными современными производственными процессами. Разнообразие видов литья чугуна, от серого и ковкого до высокопрочного, позволяет использовать его в самых различных отраслях — от тяжелого машиностроения до дорожного строительства. Технологические этапы производства чугуна включают в себя сложные процессы подготовки сырья, плавки в доменных печах, модернизации состава и последующей переработки, что обеспечивает производство материала с необходимыми характеристиками. В будущем, с учетом последних достижений в области науки и технологии, чугун продолжит оставаться ключевым материалом, обеспечивающим технический прогресс и развитие множества отраслей промышленности.