Чугун (Cast iron) - это

сплав, в результате которого получают промышленные материалы

Понятие чугуна, история его открытия и потребления, производство чугуна, этапы производства чугуна, страны по реализации чугуна, общая характеристика чугуна, нахождение чугуна в природе, минералы чугуна, соединения чугуна, способы извлечения чугуна из твердых материалов, переработка чугуна, промышленные процессы обработки чугуна, свойства чугуна, области применения чугуна, чугун и проблемы экологии, связанные с ним, основные источники загрязнения окружающей среды чугуном, заболевания, возникшие в результате отравления чугуном, количественное определение чугуна, мировые запасы чугуна, добыча железных руд в мире, стоимость чугуна на мировых рынках, интересные факты о чугуне

Чугун - это, определение

Чугун - это крупный сосуд, горшок из чугуна, позднее также из алюминиевого сплава, округлой формы, для тушения и варки в русской печи. Особенностью чугуна является его форма, повторяющая форму традиционного глиняного печного горшка: зауженный к низу, расширяющийся к верхней части и снова сужающийся к горлу. Такая форма позволяет ставить чугун в печь и вынимать его из печи с помощью особого инструмента - ухватa, представляющего собою разомкнутое металлическое кольцо на длинной деревянной ручке.

Чугун - это сплав Fe (основа) с С (обычно 2 4%), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, хрупок. Получают из железорудных материалов в доменных печах.

Чугун - это первая выплавка из железной руды, из коей, перекалкой и отжимкой под кричным молотом, добывается железо. Белый чугун, жесткий и хрупкий; серый и черный, мягкий.

Чугун - это общее обозначение различных форм железа, прежде всего, это серый чугун и болванки (сразу после выхода из ДОМЕННОЙ ПЕЧИ). Сюда относится целый ряд сплавов железа с углеродом и кремнием, содержание углерода колеблется от 1,7 до 4,5%.

Чугун - это сплав железа с углеродом (от 1,5 до 4 %), обычно содержит, кроме того, в незначительных количествах примеси кремния, марганца, фосфора и серы; получается из железных руд доменным процессом.

Чугун - это сплав железа с большим количеством углерода и другими элементами. Основная масса чугуна перерабатывается в сталь.

Чугун - это сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14%(точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Чугун - это дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.

Чугун - это выплавленное из руды железо с примесью углерода, более хрупкое и менее ковкое, чем сталь. Сосуд округлой формы, металлический горшок.

Чугун - это сплав железа (основа) с углеродом (2 4,5%), содержащий постоянные примеси (марганец до 1,5%, кремний до 4,5%, сера до 0,08%, фосфор до 1,8%), а иногда и легирующие элементы (хром, никель, алюминий и др.). Как правило, хрупок.

Чугун - это железо, содержащее некоторую примесь углерода, получаемое выплавкой из железной руды в доменной печи, более хрупкое и менее ковкое, чем сталь. Горшок, сосуд из такого металла.

Чугун - это сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами, более хрупкий и менее ковкий, чем сталь. Сосуд округлой формы из такого сплава.

Чугун - это твердый хрупкий сплав железа с углеродом при содержании последнего от 2 до 5%; сопротивление на разрыв 8 12 кг/мм2; выплавляется в доменных печах непосредственно из железной руды в виде полуфабриката), идущего на литье или переделку.

Чугун - это сплав железа, в котором процентное количество углерода составляет от 2,14 до 6,67. Популярность этого материала обусловлена тем, что он недорогой, и обладает отличными литейными качествами. Основное применение чугуна - это сырье для производства стали. Кроме того, добавление в чугун легирующих элементов может довольно значительно изменить его свойства, снижая свойственную этому материалу хрупкость и даже приближая углеродистым сталям. Сырьем для выплавки чугуна является железо, т.е. железная руда. Если совсем просто излагать, то процесс выглядит примерно так: восстановленное железо из оксидов, в которых оно присутствует в руде, расплавляет с подачи воздуха, в результате чего происходит химическая реакция с углеродом - образование чугуна.

Чугун – это один из немногих сплавов, которые позволяют длительное время сохранять температуру содержимого. Чугунные чайники удобно использовать как заварочные. Вы сможете приготовить чай для долгой беседы, не боясь, что в ходе нее приготовленный чай остынет и будет невкусным. Материал таких чайников абсолютно безвреден для человека и уже давно используется в качестве материала для изготовления кухонной утвари. Не рекомендуется использовать подобный чайник для разогрева воды для чая, так как изнутри при изготовлении он покрывается эмалью, которая может деформироваться от большой температуры.

История открытия и потребления чугуна

Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древние времена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами молота. По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее.

Но одновременно в металле повышалось содержание углерода и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун. Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили Природный газ для доменной плавки.

Чугун в товарных количествах получали ещё до нашей эпохи при выплавке железа шумеры, китаянки, римляне… Чугун рассматривался как побочный менее дорогой продукт. Но ему скоро нашли применение. Так появились чугунные сковородки и котлы. А в обычные века чугун уже стал главным материалом при изготовлении посуды для приготовления пищи. Медный казан, конечно, прогревается быстрее чугунного, но медь и стоит во немало раз дороже. Кроме того, медь легко окисляется, и её окислы весьма вредоносны для здоровья. Поэтому духовную часть такой посуды покрывали тончайшим слоем олова, который в процессе пользования достаточно быстро истирался и ощущал нужду в постоянном поновлении. К затратам на приобретение посуды прибавлялись расходы на эксплуатацию. Чугун же никаких эксплуатационных затрат не спрашивал.

Сейчас остаётся всё меньше дровяных печек, целый чугунок становится экзотикой, а ухват многие замечали только в кино. Но по - прежнему выпускаются чугунные сковородки, сотейники, котлы, утятницы - гусятницы, разные фигуры для выпечки. Родились в России прежде неизвестные нашим согражданам сковородки гриль – квадратной фигуры, с холмистым дном. Так что при целых технических новинках и зигзагах кулинарной моды чугун не намеревается отдавать собственных позиций.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна : феррит и реже перлит. Ковкий чугунполучил свое название из - за повышенной пластичности и вязкости ( при всем при том, что обработке давлением не подвергается ). Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры : картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Конструкция Полицейского моста угодила очень счастливой и была разрешена в качестве « образцовой ». Через отдельное время были заготовлены чугунные блоки для всей серии мостов через Мойку. Александровский завод принимал участие и в проектах по возведению других мостиков в столице. Так в 1814 году были отлиты боковые дощечки, перила и другие подробности к Кровавому мостику, в 1816 - м — к Поцелуеву мостику у Московской заставы.

Стальные ванны служат около 15 лет. Пороками этих ванн являются громкость при наборе воды, принятия душа, ванночки, также нехорошо держат температуру воды, то есть водичка в этих ванных быстро становится прохладной. Акриловые ванны имеют недостаток – быстро появляются царапины, при всем при том, что полировать их можно, но уже через 6 - 7 лет акриловая ванна теряет свой первоначальный вид и становится неприятной на ощупь.

История использования чугуна в древнем Китае

Железо, которое состоит более, чем из 3% углерода, называют чугуном. По сравнением с железом, он имеет значительно более низкую температуру плавления, хорошо подходит для литья. В Древнем Китае было налажено массовое производство такого металла. Стоил он сравнительно дешево, поэтому чугунные орудия труда были доступны почти всем. Почти все древние сельскохозяйственные орудия того периода были изготовлены из так называемого белого чугуна. Для него характерны высокая устойчивость к истиранию, твердость и хрупкость. Это приводило к тому, что при ударе о камень мотыга могла просто треснуть. Археологи нашли много монет времен династий Хань, Сун и Цин. Они пришли к выводу, что при нехватке меди – традиционного металла для изготовления денег, приходилось использовать именно белый чугун. Если этот сплав отливали в специальных формах из керамики и оставляли для медленного остывания на несколько дней, то получали металл, называемый серым чугуном.

Умели в то время производить и ковкий чугун с содержанием углерода не более 1%. Ученые предполагают, что «черный» ковкий чугун получали, выполняя отжиг при температуре более 900 градусов на протяжении нескольких дней. Из него делали наконечники для стрел, мечи, ножницы, наконечники для деревянных лопат и другие предметы. Механические свойства этого металла значительно превосходили белый чугун.

До наших дней дошло много образцов чугунных изделий Древнего Китая. Пожалуй, наиболее необычной можно назвать гробницу, вырезанную в скале примерно в 100 году до н.э. Для того, чтобы надежно закрыть вход, ее стены были залиты сплошным слоем чугуна. Также их этого металла изготавливали статуи различных размеров, колокола, тон звона которых зависел от количества пузырьков в чугуне, якоря и цепи, пушки, кухонную утварь.

Чугун был сначала изобретен в Китае в 4-ом столетии до н.э и лился в формы, чтобы сделать ploughshares и горшки так же как оружие и пагоды. На западе, где это не становилось доступным до конца 14-ого столетия, его самое раннее использование включало орудие и стреляло. Генри начал кастинг орудия в Англии. Скоро, английские железные рабочие, использующие доменные печи, развивали технику производства орудий чугуна, которые, в то время как более тяжелый чем преобладающие бронзовые орудия, были намного более дешевой и позволенной Англией, чтобы вооружить ее флот лучше. Фабриканты железных изделий Пустоши продолжали производить утюги броска до 1760-ых, и вооружение было одним из главного использования утюгов после Восстановления.

С ее относительно низкой точкой плавления, хорошей текучестью, бросая способность, превосходная способность к механической обработке, сопротивление деформации и износостойкости, бросала утюги, стали техническим материалом с широким диапазоном заявлений и используются в трубах, машинах и частях автопрома.

История чугуна Российского

Наиболее востребованным металлом, применяемым в интерьере и строительстве, является сталь. С помощью стальных балок возводят, в частности, дома для жилья, разнообразные здания, предназначенные для производства или администрирования.

К сожалению, был предан забвению чугун, который сейчас применяют для изготовления, труб, решеток сливных и запасных частей к транспортным средствам.

Пять веков развивалось российское производство чугуна. Одним из главных уральских промыслов с семнадцатого века являлось чугунное литье. Литейный завод, цех которого занимался литьем чугуна, стал символом индустрии Урала. Чугун применялся в создании садово-парковых ансамблей, в архитектуре. Из чугуна мастера создавали прекрасные изделия: ограды, скамейки, столбы фонарные, каминные решетки и решетки на окна, печные дверцы, беседки, лестничные перила и многое другое. Большой популярностью пользовались чугунные решетки с литыми воротами с ажурными элементами, а балконы и барельефы из чугуна придавали изысканность дворцам и доходным домам.

Спустя несколько веков чугун прекратил свое триумфальное шествие в качестве основы декора и в двадцатом веке стал считаться «черновым» металлом, который находил себе применение лишь для изготовления разнообразных конструкций. При этом он широко использовался в строительстве, например, для изготовления арматурной сетки в железобетонных изделиях, трубопроводных деталей.

В данное время чугун опять пользуется спросом. Вновь изготавливаются из чугуна перила для балконов и ажурные решетки, статуи, скамьи, беседки и витые фонарные столбы, ООО литейно механический завод вновь выполняет заказы строительных компаний. Активное применение чугуна отмечается в интерьерах. Сейчас вновь популярны решетки для каминов, кронштейны для декоративных фонарей и кашпо. Воспринимая чугун как что-то тяжеловесное и грубое, мы порой поражены его воздушностью и легкостью, видя ажурное плетенье чугунной ограды.

Начало чугунолитейного производства

Люди никогда особенно не интересовались историей чугуна, хотя его значение трудно переоценить. Лишь сравнительно узкому кругу специалистов известно, какую роль сыграл этот неприметный с виду материал в развитии производительных сил в различные эпохи, но все знают, что чугун и производимая из него в кислородных конвертерах сталь являются основой современной техники и технологии. В ряду конструкционных материалов они, безусловно, стоят на первом месте и не уступят его еще долгое время, несмотря на все более широкое применение легких цветных металлов, полимерных и керамических материалов.

Уже сегодня число сплавов на основе железа превысило 10 тысяч.

Анализируя европейские языки в области чугунолитейного производства, порой приходишь к интересным наблюдениям. Например, заготовка для дальнейшего переплава в русском и украинском языках называется «чушка», то есть «свинья». Аналогично, в английском языке она называется «Pig Iron», то есть дословно «свиное железо». Это было связано с тем, что литье чушек, в отличие от фасонного литья, доверяли ученикам и подмастерьям, считая этот вид литья самым примитивным и непрестижным. В большинстве европейских языков термин, обозначающий чугун, является производным от коренного термина, присвоенного основному материалу железоуглеродистых сплавов - железу, и означает «литое железо».

Так, на английском языке термину «Iron» - «железо» соответствует термин «Cast Iron» - «литое железо»; на немецком языке термину «Eisen» - «железо» соответствует обозначение «Gusseisen» - «литое железо»; в шведском языке «jarn» - «железо», «gjutjarn» - «литое железо». То же самое в турецком, финском, новогреческом и других языках. Однако во французском языке название чугуна «fonte» связывается с понятием «fondre» - плавить, лить; в русском языке литое железо обозначается термином «чугун», в украинском – явно производное от русского «чавун», которые звучат как иностранные (и в самом деле это так), не имеющее на первый взгляд никакого отношения к термину «железо».

Как это могло случиться, что наиболее характерное отличие чугуна от других сплавов - его получение исключительно в литом состоянии не нашло себе отечественного обозначения, взамен которого стали применять иностранное слово. Откуда пришло к нам слово «чугун» и что оно обозначает?

Чугун как литейный материал был изобретен и освоен в Китае за много веков до новой эры, о чем могут свидетельствовать четырехзарядная чугунная пушка, отлитая в пятом веке до н. э. и существующие до сих пор чугунные отливки, самой крупной из которых считается «лев» высотой около 6 м и длиною 5,4 м. По литературным данным, появление чугуна в Китае относится, по меньшей мере к VI в. до н. э. В противовес этим данным Б. Б. Гуляев считает, что литье чугуна было освоено только 600 лет назад.

Необъятная монгольская империя, возникшая в результате грабительских походов Чингисхана и его первых преемников, в значительной степени облегчила ознакомление с культурными достижениями китайцев, жителей Средней Азии и Восточной Европы.

Сопоставление дат нашествия татар и их утверждение в Восточной Европе и юго-восточных частях Европы (первая половина XIII в.), а также дат путешествий первых европейских послов-разведчиков к татарам - Плано де Карпини (1246), Асцелина (1247), Марко Поло и других, со временем «изобретения» европейцами пороха (конец XIII в.) и чугуна (2-я половина XIV в.), со всей очевидностью показывает взаимную связь этих на первый взгляд разрозненных и как будто совершенно не зависящих друг от друга исторических фактов.

Древняя Русь имела непосредственные связи с Золотой Ордой, в столице которой проживало много русских, имевших там отдельные торговые и ремесленные ряды и даже отдельную епархию, и была в более благоприятных, нежели западные страны, условиях для освоения китайских и хорезмийских достижений в области техники. Поэтому логично, что русское слово — чугун происходит от таджикского слова «чуян» (по татарски «чуен»). Этот термин и для таджиков, и для татар является принесенным извне, а именно от китайцев, у которых термин «чу» («чжу») соответствует глаголу «лить», а термин «гун» равнозначен названию «литейное дело» (производство). Два китайских иероглифа: левый «чжу» — означает «лить», правый «гун» — «делать, производство».

В. Яковлев указывает, что в некоторых языках термин, обозначающий чугун, также образован от термина, присвоенного железу, но в сочетании с разными прилагательными. Так, в китайском языке синоним слова «чугун» - (шэнте) может быть дословно переведено как «живое железо» или как «сырое», «незнакомое», «непривычное» железо. Подобное же можно наблюдать в японском, датском, хинди и других языках.

Но в другой группе языков термин, обозначающий чугун, не был образован так, как в предыдущих случаях. К этим языкам относятся русский, таджикский, туркменский, киргизский, афганский и, вероятно, еще ряд других. По звуковому сходству среди них наиболее близко находится к русскому слову «чугун» афганский термин, обозначающий чугун. По-афгански (чугун) - и обозначает чугун. «Чугун» по-туркменски и по-киргизски - «чоюн», а по-таджикски - «чуян». Складывается впечатление о среднеазиатском, а не китайском происхождении русского термина «чугун». Но это еще не означает, что народы нашей страны познакомились с чугуном через посредничество народов Средней Азии [5].

Подтверждением того, что русские заимствовали название литого железа от татар и китайцев через посредство среднеазиатских купцов, может служить факт, что в переписных книгах дьяков Юрия Телепнева и Афанасия Фонвизина по Тульским и Каширским заводам 1645—1676 г. мы имеем путаницу неустановившихся технических терминов «литое» и «чугунное» железо.

Герберштейн свидетельствует о том, что на Руси уже при Василии III отливались чугунные ядра, а при Иване Грозном отливались и чугунные колокола и пушки, значит, к этому времени чугунолитейное дело на Руси уже имело долголетнюю практику и пережило период освоения и налаживания.

Китайское происхождение слова «чугун» доказывает и профессор Л. М. Мариенбах. Он считает, что русское название чугуна произошло от китайского слова «чжугун» (должно быть, «чжуцзауогун»), что по-русски означает «литейщик», или от китайского слова «чжугэнди» (должно быть, «чжучанди»), что по-русски означает «литой».

В обоих предположениях были подобраны китайские слова, близкие по звуковому сходству и обозначавшие термины из области производства чугуна. Если же подбирать слова лишь по звуковому сходству, то в китайском языке слово, обозначающее палку или посох, звучит не иначе как «чжугунь». Прямую связь по звучанию между китайским и русским терминами, обозначающими чугун, обнаружить нельзя. Помимо непосредственного знакомства с чугунным литьем в Великих Булгарах и Сарае Берке, московское правительство пользовалось услугами западно-европейских специалистов, и вопреки мнению В. Кнаббе, отливки из чугуна на Руси появились не в XVII в., а значительно раньше. Так, в работе описывается, что из трудов знаменитого ученого древности Аристотеля можно предположить, что ему за 2300 лет до наших дней был известен чугун. Четырьмя столетиями позже римский ученый Плиний Старший сообщал о том, что иногда «железо при плавлении делается жидким, как вода, и после этого ломается подобно губке». Это уже явные признаки чугуна. (Хотя во многих источниках эти признаки трактовались по-разному.)

Выдающийся русский литейщик Н. Н. Рубцов прямо пишет: «Как бы то ни было, мы имеем несколько чугунных отливок, относящихся к эпохам за 5—6 вв. до н. э. В музеях имеется очень много образцов чугуна, относящихся к периоду более, чем за тысячу лет до средних веков, которые считают временем открытия чугуна».

Литье из чугуна было широко распространено до н. э. в Китае, неопровержимым доказательством чего являются существующие до сего времени чугунные отливки. Самая большая из них - чугунный лев около 6 м высоты и более 5 м длины, который стоит вблизи железной дороги Тянь-дзинь-Пукоу у Цзянь-жоу и, вероятно, является самой большой из чугунных статуй, отливка датирована 974 г. н. э [10]. Об этом же памятнике А. М. Петриченко и Е. А. Суходольская пишут, что они сами подробно исследовали эту уникальную отливку и убедились, что форма Царь-льва залита за один раз (или с небольшими перерывами, в течение которых чугун в форме не успевал затвердевать).

По литературным данным появление чугуна в Китае относится, по меньшей мере, к VI в. до н. э. Интересно отметить, что у скифов, населявших территорию нашей страны с 8 в до н. э до конца 2 века н. э. чугунного литья не было. Скифы не пошли в металлургии и литье дальше бронзы.

По версии американского журнала Modern Casting, 600 лет до н. э. в Китае отлита первая чугунная отливка - треножник (массой 600 фунтов), а в 233 г до н. э. там же были отлиты первые чугунные лемехи.

Известно, что жители Ферганы во II в. до н. э. научились от беглецов из китайских войск лить чугун [10]. В 115 г. до н. э. китайское правительство монополизировало всю железную промышленность, имеются многочисленные указания на то, что одним из главных доходов применения железа была выделка чанов для выпаривания соли из морской воды и, насколько можно проникнуть в глубь веков, чаны эти всегда были чугунными.

Из всех известных в древнем мире стран, только в Китае железо восстанавливалось из руды каменным углем, а во всех других - древесным углем.

Применяемая руда содержала от 0,5 до 1% Р, так что чугун, полученный из этой руды, не должен содержать свыше 1% Р. Отливки же содержали от 5 до 7% Р, причем дополнительное количество было получено из угля. Таким образом, китайцы научились получать сплав, близкий к фосфидной эвтектике, т. е. металл с точкой плавления примерно на 100° ниже бронзы. Этим объясняется и сравнительно широкое распространение чугунных отливок в Китае в давно прошедшие времена и тот, на первый взгляд удивительный, факт, что ни Индия, ни Греция, ни Фергана, ни Россия, покоренная Батыем, имевшие возможность познакомиться с китайским опытом, не могли развить это производство у себя, так как не имели подходящего сырья. Поэтому развитие чугунолитейного производства как бы вновь началось в средние века, когда 1) изобретение более мощных воздуходувных устройств дало возможность перейти к более высоким печам для получения железа, в которых чугун получался вследствие науглероживания восстановившегося железа, на первых порах неожиданно для тогдашних металлургов; 2) когда спрос на чугунные ядра и затем на чугунные пушки создал устойчивый спрос и, следовательно, прочную экономическую основу для молодого производства.

Интересные данные приводит большой знаток художественного и монетного литья А. М. Петриченко, который пишет, что исключением из правил мировой валютной системы следует признать литье и участие в денежном обращении Китая чугунных монет, которые широко использовались в период Пятицарствия (907—960 гг. н. э.) и особенно в эпоху Сун (960—1279 гг. н. э.). В некоторых регионах с целью экономии меди, хождение имели только чугунные монеты, но и на них существовал запрет вывоза за границу.

В зарубежной, да и в отечественной литературе превалирует мнение о том, что причиной возникновения чугунного литья в Китае послужило наличие высофосфористых руд и применение древними китайскими литейщиками специальных фосфористых добавок.

Даже небольшого экскурса в историю металлургии в Китае достаточно, чтобы убедиться в том, что это является не единственной и не главной причиной раннего появления чугуна в Китае. Главной причиной того, что китайцы первые в мире и более чем на 1500 лет раньше европейцев научились добывать руды, выплавлять чугун и изготовлять чугунные отливки, являются замечательные успехи китайцев в области плавки бронзы и устройства печей к моменту появления железа.

Одни исследователи относят первые отливки к периоду «Воюющие царства», другие небезосновательно полагают, что китайцы умели изготовлять чугунные отливки еще в эпоху «Весна и осень» (722—481 гг. до н.э.). Фактически Китай начал свой железный век, как свидетельствует Ли Хэн-дэ, не добычей сыродутного железа и ковкой из него изделий, а плавкой чугуна и изготовлением чугунных отливок. В этом одна из особенностей самобытного развития литейного производства Китая. Если до сих пор нет сколько-нибудь убедительных доказательств о применении в эпоху «Весна и осень» железных кованых изделий, то о производстве чугунных отливок в этот период очень много существует вполне достоверных данных.

В Китае уже в 513 г. (до н. э.) был изготовлен большой чугунный ритуальный сосуд, на котором был отлит один из сводов тогдашних законов (своего рода уголовный кодекс). Но первые чугунные отливки представляли собой преимущественно орудия и инструменты сельскохозяйственного назначения. Древние летописные памятники Китая дают неопровержимые доказательства о применении железных (чугунных) сельскохозяйственных инструментов еще в 7 в. до н. э., что привело к резкому повышению урожайности полей.

А. М. Петриченко прямо указывает, что китайцы более чем на 1500 лет раньше, чем европейцы, научились плавить чугун и изготовлять сложные чугунные отливки. К периоду «Воюющих царств» (403—221 гг. до н. э.), т. е. ко времени появления в Китае чугунного кокильного литья, китайские литейщики в совершенстве владели техникой плавки чугуна. К этому же времени они достигли высокого уровня в изготовлении литейных форм. Причем для получения литых денег и других отливок тогдашние литейщики применяли в основном полупостоянные шамотные формы. Половинки таких форм изготовлялись по металлическим (бронзовым) моделям или пресс-формам.

Безусловно, литье чугунных денег было весьма прогрессивным процессом по нескольким причинам.

Во-первых, чугун – не благородный металл, стоек к истиранию, этому бичу металлических денег из драгоценных металлов.

Во-вторых, чугун не дефицитен, что позволяло четко выполнять почти неизменный в веках закон металлических денег: стоимость металла монеты должна быть ниже её номинала (правда, в истории металлических денег были и исключения).

В-третьих, существовавшая в Китае государственная монополия на чугунное литье исключала фальшивомонетничество по определению.

В-четвертых, выплавить чугун в домашних условиях из руды человеку, не владеющему искусством металлургии, не имеющему подготовленную руду, флюсы и восстановители, рецептура которых практически всегда хранилась в секрете и передавалась от отца к сыну маловероятно.

Китай — страна самой древней литературы по литейному производству. По-видимому, первой книгой по технологии литья была широко известная в Китае книга «Као Гун-ди», написанная более 2000 лет назад. В этой книге изложены не только способы получения отливок, но и дано подробное описание сплавов для различных изделий (мечей, колоколов, домашней утвари и т. д.), их состав и способы плавки. Подобные сведения о разнообразных способах литья имеются и в более поздних источниках.

Более четырехсот лет назад была впервые издана книга Сун Ин-сина «Оригинальные изобретения», в которой даны краткие описания многих наиболее характерных процессов литья, сохранившихся с глубокой древности. Книга эта хорошо иллюстрирована; она переиздавалась много раз.

Интересно отметить, что нашей стране на территории Одесской области у с. Николаевка Беляевского района, в 1964 г. А. И. Мелюковой было найдено три обломка чугунных котлов, являющимися наиболее древними изделиями из чугуна не только в Украине, но и на всей европейской части бывшего СССР. Обломки были найдены на поселении греко-варварского типа в непотревоженных слоях в разных местах и на значительной глубине — 0,7—1 м. В этом слое содержалось большое количество изделий античной эпохи, достоверно датируемых IV—III вв. до н. э. Обломки, как и любой деформированный чугун, имели неправильную форму размером 94x140— 110х160 и 95х130 мм, при толщине стенок 3—7 мм. Травление выявило во всех шлифах литую структуру заэвтектического белого чугуна со структурой ледебурита, первичного цементита и небольшого количества графита. Причиной отбела чугуна авторы объясняют малым содержанием кремния, а практически полное отсутствие марганца указывает на то, что чугун выплавлялся без применения флюсов.

Проведенные химический и спектральный анализы доказали, что обломки принадлежали одному котлу и изготовлены из руды, по-видимому, типа бурых железняков, которые часто использовались древними металлургами для получения железа.

Необходимо отметить, что как самостоятельная отрасль промышленности, литейное производство выделилось из металлургического производства лишь в конце ХІХ – начале ХХ веков с появлением небольших печей (вагранок), способных плавить металл, обеспечивая достаточный его перегрев и обеспечивая расплавленному чугуну достаточную жидкотекучесть и другие литейные свойства. Именно тогда при литье чугуна перестали использовать только металл первой плавки, а сам чугун стал широко распространенным конструкционным материалом. Но основу для этого заложили именно древние мастера Китая, Узбекистана, Волжской Булгарии.

Литье из чугуна было широко распространено до н. э. в Китае, неопровержимым доказательством чего являются существующие до сего времени чугунные отливки и чугунные кокили. Скифские племена, населявшие территорию нашей страны с 8 в до н. э. до конца 2 века н. э., чугунного литья не знали. Древние летописные памятники Китая дают неопровержимые доказательства о применении железных (чугунных) сельскохозяйственных инструментов еще в 7 в. до н. э. Фактически Китай начал свой железный век не добычей сыродутного железа и ковкой из него изделий, а плавкой чугуна и изготовлением чугунных отливок. В этом одна из особенностей самобытного развития литейного производства Китая. Главной причиной того, что китайцы первые в мире и более чем на 1500 лет раньше европейцев научились добывать руды, выплавлять чугун и изготовлять чугунные отливки, являются замечательные успехи китайцев в области плавки бронзы и устройства печей к моменту появления железа.

Производство чугуна

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий более 2% С. Освобожденная от пустой породы руда представляет собой химическое соединение металла с другими элементами. Для того чтобы получить металл из руды, нужно осуществить определенные химические реакции. При этом на элементы, соединенные с металлом, воздействуют вещества, имеющие с ним меньшее сродство, чем с другими элементами. Так как в железных рудах железо обычно находится в соединении с кислородом, для получения этого металла необходимо осуществлять восстановительные процессы. В чистом виде железо в технике применяется в весьма малых количествах. В основном только в машиностроительном производстве требуются сплавы железа с углеродом. Одним из таких сплавов и является чугун.

Выплавку чугуна из железной руды производят в доменных печах. Эти печи имеют вид башен (шахтные печи). Внутренние части доменной печи выкладывают огнеупорным шамотным кирпичом.Шихта, т.е. руда, топливо и флюс, подается из бункера подъемником 1 в засыпной аппарат колошника 2, откуда и поступает во внутреннюю полость печи. Печь имеет шахту 4, распар 5, заплечики 8, горн 9, дно которого называется лещадью. Выпуск расплавленного чугуна производится через отверстие - чугунную летку, выше которой расположена шлаковая летка, через которую выпускают жидкий шлак. Воздух, необходимый для получения чугуна, вдувается под давлением в подогретом состоянии (до 1200°С) в фурмы 7 (12-18 шт.), проходя по кольцевой трубе 6, расположенной выше давление воздуха у фурм до 350 кн/м2 (3,5 кГ/см2). Доменный («колошниковый») газ отводится через трубы 3 в очистительные устройства, так как он в дальнейшем используется как топливо для нужд доменного производства и других целей.

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед многими материалами, среди которых основные - невысокая стоимость и хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь, чувствительностью к концентраторам напряжений.

В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от состава и скорости охлаждения.

При производстве чугуна топливом служат :

- кокс;

- термоантрацит;

- Природный газ

Выплавляют чугун в доменных печах, представляющих собой вертикальную металлическую шахту, футерованную внутри огнеупорным кирпичом с высоким содержанием глинозема. Жидкий чугун выпускают в ковши, откуда его выливают в формы или миксеры (сборники-смесители, где сплав сохраняется некоторое время в жидком состоянии). Полученные в печах чугуны разделяют на литейные и передельные. Литейные чугуны применяют для производства чугунных отливок, передельные - для производства стали. Для отливки изделий чугун плавят в вагранках, пламенных и электрических печах. Расплавленный при температуре 1380-1420° С жидкий чугун выпускают через летку в футерованные огнеупором литейные ковши для разливки чугуна по формам, изготовляемым из формовочного песка со связками.

В последние годы применяют прогрессивные способы литья чугуна: под давлением, центробежным способом в оболочковые формы. Залитый в форму чугун находится в ней до момента полного перехода в твердое состояние, вначале расширяясь, а впоследствии давая усадку около 1 %. Отливку под давлением производят на специальных установках, состоящих из котла с расплавленным металлом, разъемных форм, механизма давления и раскрытия форм. Центробежный способ литья основан на принципе действия центробежных сил на металл, залитый во вращающуюся форму. Таким способом можно отливать различные изделия - трубы, кольца, втулки, сплошные и биметаллические.

Отечественными учеными и практиками разработан способ бесслитковой прокатки тонкого чугунного листа. Чугун, расплавленный в вагранках, прокатывают, в ленту между валками с последующим отжигом в течение 2-3 ч. при температуре 980-1050° С. При этих условиях чугунный лист приобретает некоторую пластичность, позволяющую пробивать в нем отверстия, разрезать ножницами, загибать и др.

Производство черных металлов из железной руды - сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй - его перерабатывают в сталь. Учитывая, что учащиеся уже знакомы с основами металлургических процессов из средней школы, ниже рассмотрим лишь основные положения технологии чугуна и стали. Чугуном называют сплав железа с углеродом 2... 6,67 %, кроме них в состав сплава могут входить кремний, марганец, сера, фосфор и др. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.

Наиболее часто применяемые железные руды:

- красный Fe2O3;

- магнитный Fe3O4;

- бурый Fe2O3-nH2O;

- шпатовый РеСОз железняки, содержащие 30...70 % железа и пустую породу из различных природных химических соединений SiO2, А12Оз и др., и вредные примеси (серы, фосфора).

Топливом служит кокс - продукт сухой перегонки (без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) - известняки, доломиты, кварц, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак. Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (оксидов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы руды.

Чугун выплавляют в доменных печах объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи - горн через отверстия - фурмы подают под давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива. Кокс, сгорая в верхней части горна, образует СО2, C+O2 = CO2, который поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: CO2-f-:-f-C=2CO. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа по таком порядке Fe2O3, F3O4, FeO, HFe. Этот процесс может быть представлен следующими реакциями: 3F9Q3+СО = 2F3O4 +СО2; 2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO; 6FeO+6CO = 6Fe+6CO2. В нижней части печи часть восстановленного железа соединяется с углеродом и образуется карбид железа Fe3C (науглероживание железа). Затем происходит расплавление науглероженного металла, который стекает в горн доменной печи, при этом насыщение железа углеродом продолжается. В результате плавления происходит восстановление не только железа, но и других элементов, находящихся в руде Si, Mn, P, которые, а также часть серы в виде FeS переходят в чугун. В горн стекает также расплавленый шлак и всплывает над чугуном, так как его плотность меньше, чем чугуна.

Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия - чугунную и шлаковую летки, сначала шлак, а затем - чугун. К прогрессивным процессам развития доменного производства следует отнести улучшение подготовки шихты за счет дробления, тщательной промывки, сортировки и обогащения железных руд, которое производится, например, путем магнитной сепарации. Широко развивается производство агломерата путем спекания мелочи руды в более крупные куски. Объем доменных печей достиг 5 тыс. м3, что обеспечило улучшение коэффициента использования полезного объема, снижение расхода топлива на 1 т. передельного чугуна.

Получают большое развитие механизация и автоматизация основных процессов при производстве чугуна. В доменном процессе широко используется повышенное давление и более высокий нагрев дутья, автоматическое регулирование температур, снижение влажности дутья, промывка углей перед коксованием, а также кислород для интенсификации процессов производства. В результате доменной плавки могут быть получены различные виды чугунов: передельные (80...90%), идущие в основном на производство стали; литейные (8...18 %), предназначаемые для получения чугунных отливок; ферросплавы. (2...3%), содержащие повышенное количество марганца, кремния. Ферросплавы применяют как добавки при производстве стали.

Доменное производство

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы в виде специально подготовленной смеси (шихты). При доменной плавке могут использоваться также отходы производства, содержащие Fe, Mn, CaO, MgO. К ним относят колошниковую пыль, окалину, сварочный и мартеновский шлаки.

Происходит производство чугуна

Железные руды

Железные руды представляют собой горные породы, из которых при данном уровне развития техники, экономически целесообразно извлекать железо. Верхняя зона земной коры мощностью около 16 км содержит в среднем 4,9% Fe, входящего в состав более 350 минералов горных пород. Такие широко распространенные горные породы как гранит, базальт содержат 3-9% Fe. Однако, в настоящее время столь бедные железом породы, пока не используются. Железо в земной коре в чистом виде не встречается, а находится обычно в соединениях с кислородом, так как обладает сравнительно большим сродством к кислороду.В природе в большинстве случаев, железо встречается в виде магнитной окиси железа Fe3 О4 (магнитный железняк или магнетит); безводной окиси железа Fe2 O3 (красный железняк или гематит); водной окиси железа Fe2 O3 ⋅ nH2 O (бурый железняк или гетит); соединения железа с двуокисью углерода FeСO3.

Страны по реализации чугуна

Мировое производство чугуна

Среди стран, производящих чугун, традиционно за последние 10 лет выделяются три лидера: Китай, Япония и Россия. На четвертом месте стоят США.

По данным IISI, мировое производство чугуна за 2002 г. по 42 ведущим странам мира составило около 600 млн. тонн. Относительно 2001 года производство чугуна выросло на 5,5%.