Чавун

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Чаву́н - сплави заліза з вуглецем, які містять 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 1 Виробництво чавуну 1.1 Доменний газ 2 Властивості чавуну 2.1 Білий чавун 2.2 Сірий чавун 2.3 Економіка чавуну 3 Джерела

[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.

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 по підготовці 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:

• CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O
• CO₂ + C = 2CO
• H₂O + C = CO + H₂

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:

• Fe₃C = 3Fe + C

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. долларів.

[ред.] Джерела

• Ф. А. Деркач "Хімія" Л. 1968