На протяжении нескольких сотен лет Российская Федерация находится в числе мировых лидеров по производству чугуна. Данный сплав применяется в самых разных сферах промышленности, используется для создания художественных и декоративных изделий. Эксперты говорят: чугун – это неотъемлемая часть жизни человека, он заслуженно считается одним из самых востребованных материалов. Сегодня мы предлагаем поговорить о черной металлургии, производстве чугуна и стали, их влиянии на человека. Обратимся и к хронике развития литейного дела в целом: вас ждут исторические факты и интересная информация!
История: медно-каменный век
Чугун – это металл, история которого насчитывает тысячи лет, ее корни уходят в эпохи до нашей эры. Вообще, историки датируют первые свидетельства возникновения металлургии VI-V тысячелетием до нашей эры. Тогда человек еще использовал камень для создания орудий, но ему уже попадались медные самородки. Принимая самородки за обычные камни и обрабатывая их тем способом, что применялся к любым камням, – просто ударяя друг от друга – человек понимал: данные камни не откалываются, а лишь деформируется, а потому им можно придать практически любую форму. Такой метод историки позднее назовут холодной ковкой. Так медь стала заменой камню, изготавливать рыболовные крючки, наконечники копий и кинжалы стало гораздо проще, к тому же качество таких изделий значительно превышало качество аналогов из камня и кости. В то же время усовершенствовалась обработка дерева, появилась возможность изготавливать мелкие детали. Кстати, ученые доказали: на тех территориях, где активно использовалась медь, появление колеса произошло существенно раньше. Это доказывает тот факт, что развитие человечества неразрывно и тесно связано с развитием металлургии.
Бронзовый век
Когда люди научились создавать бронзу – сплав, состоящий из меди и олова, человечество вступило в Бронзовый век. Сегодня историки не могут ответить на вопрос о том, как именно человек изобрел такой сплав. Большая часть исследователей считает: произошло это по чистой случайности, когда в емкость с расплавленной медью попало олово. Факт остается фактом: на протяжении целой тысячи лет люди воевали бронзовыми мечами и готовили еду в бронзовых котелках.
Железный век
Историки утверждают: добыть железо было куда проще, чем медь или олово. Все дело в том, что она встречается в виде окиси и закиси повсеместно. Так почему люди не начали применять железо раньше? Ответ прост: производство этого металла – процесс невероятно сложный и трудоемкий, проходящий в несколько этапов. На изучение данного процесса потребовалось не одно столетие развития. Потому неудивительно, что металлурги тех времен в народе считались настоящими колдунами, горящими магические вещи.
Первые упоминания о чугуне
Страной, в которой началось производство чугуна, сегодня считается Китай. Историки говорят, что произошло это примерно в пятом веке до нашей эры. В Поднебесной были крайне популярны монеты, предметы домашней утвари и разнообразное оружие, производимые из чугуна. До наших времен дошло множество чугунных отливок, к примеру, великолепный чугунный лев, высота которого составляет 6 метров, а длина – 5. Ученые доказали: эта статуя была отлита за один раз, что, несомненно, свидетельствует о большом мастерстве первых китайских металлургов.
Интересный факт: во всем мире началом производства ковкого чугуна считается XIX век нашей эры, хотя достоверно известно, что в Китае из него делали мечи еще до Рождества Христова!
Зарождение производства в России
Когда же началось производство чугуна в России? Археологические раскопки, проводимые на территории крупных городов Золотой Орды, доказывают: появление и развитие данного производства в России началось еще во времена татаро-монгольского ига! Определенную роль в этом сыграла близость монгольского царства к Китаю.
Практически во всех татаро-монгольских городах проживали русичи, которые имели здесь и собственные мастерские, и торговые ряды. Они не только перенимали знания местных мастеров, но и делились своими. После того как Орда пала, технологии продолжили развиваться и совершенствоваться. Уже в XVI веке, при Василии Третьем и Иване Грозном, производство литейного чугуна стало активно применяться в артиллерии, в основном из него изготавливались ядра и небольшие пушки. Тогда же, говорят историки, чугун применялся и в отливке колоколов. Основное производство проходило в таких городах, как Москва и Тула. Стоит отметить, что вплоть до XVII века подобных технологий Европа не знала, а потому заводы России могли активно экспортировать различные орудия и ядра из чугуна в европейские страны.
Активное развитие
Во времена Петровской эпохи началось активное развитие производства чугуна и стали. Царь понимал: увеличение металлургических мощностей приведет Россию к развитию. Для реализации невероятных планов у Петра I было все необходимое: и материалы, и технологии производства. Именно при этом царе началось активное строительство заводов в Сибири, на Урале. За все время правления Петра Великого объемы производства чугуна и стали были увеличены в 770 раз, в России появилось 16 крупных металлургических заводов. Развитие продолжалось и после смерти императора, в конце XVIII века на территории Российской империи находилось более сотни заводов, страна стала мировым лидером в данной сфере. Одновременно с развитием отрасли развивались и отрасли применения металла. Из чугуна теперь изготавливали не только оружие, но и посуду, памятники, ворота и ограды.
Стоит отметить, что отечественные доменные печи, применяемые для производства чугуна, были признаны лучшими в мире. Для них была характерна наибольшая производительность даже при минимальных затратах. В XIX веке литейные были отделены от доменных, что позволило не только специализировать процесс, но и механизировать его. Именно в этот период появились труболитейные предприятия, цеха, производящие отливки ковкого чугуна.
Россия – мировой лидер
В XX веке Россия оборотов не сбавила и осталась лидером по отливке чугуна. В СССР от общего количества литья металлов объемы чугуна составляли порядка 75%.Он был сырьем номер один, его основными потребителями являлись оборонная промышленность и сельское хозяйство. Именно из чугуна специалисты изготавливали детали и различные агрегаты для техники. Стоит отметить, что и сегодня Россия сохраняет лидирующие позиции по объему производства и применения чугуна. Из него делают не только крупногабаритную продукцию, но и такую тонкую работу, как элементы ворот, украшения, печное литье и сувениры!
Производство чугуна: необходимое оборудование
Начнем с определения. Чугуном принято называть сплав железа с углеродом, причем углерода здесь должно быть не менее 2%. Так как же происходит процесс производства чугуна? В первую очередь для этого необходима огромная доменная печь. Ее габариты поражают: высота такой печи составляет 30 м, а внутренний диаметр равен 12 м. Самая широкая часть печи называется распаром, нижняя, через которую в печь попадает горячий воздух, - горн, верхняя – шахта. Кстати, на верхней части находится специальное отверстие – колошник, который закрывается специальным затвором. Принцип работы доменной печи заключается в противотоке: снизу в нее подается воздух, а сверху – материалы. Необходимые для производства чугуна материалы включают в себя флюс (без него не может образоваться шлак), кокс (он необходим для нагрева воды, ее расплавления и восстановления) и руду (которая, собственно, и является основным сырьем).
Для производства также потребуются:
- вагонетки;
- транспортеры;
- бункеры;
- специальный кран и др.
Сырье
Знакомство со сплавами, производством чугуна и стали начинается еще в школе – эта тема предусмотрена в рабочей программе по химии. В учебниках рассматриваются состав железной руды: это само рудное вещество, то есть карбонаты железа, силикаты и окислы, и пустая порода, состоящее из доломита, песчаника, известняка и кварцита. Следует отметить, что в разной руде может присутствовать разное количество рудного вещества. Именно по этому критерию руду разделяют на бедную и богатую. Первая отправляется на обогащение, а вторая может сразу использоваться в производстве.
Для того чтобы произвести тонну чугуна, потребуются: три тонны руды, тонна кокса, двадцать тонн воды. Количество флюса зависит от того, к какому типу относится руда.
Виды железных руд
Прежде чем мы перейдем к знакомству с процессом производства чугуна, предлагаем информацию о видах железных руд. Это может быть:
- Бурый железняк. Для него характерно содержание 25-50% железа в форме так называемых водных окислов. Пустая порода отличается глинистостью.
- Гематит (его еще называют красным железняком). Это безводная окись, содержание вредных примесей здесь минимально. Железа здесь около 45-55%.
- Магнитный железняк. Содержание железа составляет здесь около 30-37%. Пустая порода – кремнеземистая масса.
- Сидерит (второе его название – шпатовый железняк) крайне легко окисляется, переходя при этом в форму бурого известняка.
Технология производства
Технология производства чугуна состоит из нескольких этапов. Начинается все с подготовки руды: ее сортируют по химическому составу и, конечно, размеру. Крупное сырье дробят, а мелкие частицы или рудную пыль окусковывают. На этом же этапе происходит и обогащение бедных руд. Кроме того, в процессе подготовки удаляется значительная часть пустой породы, соответственно, содержание железа при этом увеличивается. Следующий этап технологии производства чугуна – подготовка топлива. Начинается все с кокса. В ходе данного этапа кокс подвергается грохочению – из него удаляют всю ненужную мелочь, которая может привести к потере топлива. Следующий этап доменного производства чугуна подготовка флюсов. Плюсы измельчается, из него отсеивают мелочь. После проведения этой процедуры все материалы загружаются в печь. Затем начинается непосредственно доменное производство чугуна: печь заправляют коксом, добавляют агломератор (так называется спеченная с флюсом руда), и снова вносят кокс.
Температуру, необходимую для выплавки, поддерживают с помощью вдувания подогретого воздуха. В процессе сгорания кокса в горне образуется углекислый газ. CO2, проходя через кокс, становится CO. Далее окись углерода восстанавливает основную часть руды. При этом процессе железо становится твердым, переходя в ту часть печи, воздух в которой очень горячий. Здесь железо растворяется углерод внутри себя. Собственно, так и выглядит производство чугуна в доменной печи. Жидкий чугун из печи попадает в специальные ковши, из которых его выливают в предварительно подготовленные формы. Возможно выливание в специальные сборники-смесители, в которых сплав на протяжении некоторого времени будет сохраняться в жидком виде. Одновременно с доменным производством чугуна восстанавливается кремний, марганец и ряд других примесей.
Виды чугуна
Существует всего два вида чугунов: белые и серые. Разница между ними заключается в химическом составе и процессе термической обработки. Так, белые чугуны – результат очень быстрого охлаждения, тогда как серые получаются в результате медленного охлаждения. Для белых характерны такие качества, как хрупкость и твердость. Они крайне тяжело поддаются резке, в ее процессе от них откалываются куски. Потому белые чугуны используются только в качестве заготовок для производства других марок чугуна. Например, в результате обжига данного вида получаются ковкие чугуны. Обратите внимание: название «ковкий» не имеет ничего общего с процессом ковки. По мнению историков, появилось оно из-за того, что прежде из чугуна с такими характеристиками делали подковы. Такой вид активно применяется в сельскохозяйственном машиностроении и в автопромышленности. Главное отличие серых чугунов – пластичность, сочетающаяся с высокой прочностью. Это позволяет использовать их в таких сферах, как станкостроение, сельское хозяйство и автомобильная промышленность, бытовое использование.
Кстати, существуют так называемые половинчатые чугуны. Они имеют промежуточные свойства белых и серых видов. К тому же, регулируя интенсивность охлаждения данного сплава, можно получить разнообразные отливки, которые будут отличаться прочностью, пластичностью и другими свойствами. К чугунам со специальными свойствами относятся:
- антифрикционные, применяемые для изготовления втулок, валов, подшипников;
- износостойкие, необходимые для создания насосного оборудования, различных деталей для азотной промышленности, печного литья;
- жароскойкие, которые используются при изготовлении печного литья, трубокомплексов и газотурбинных двигателей;
- жаропрочные, подходящие для того, чтобы изготовить из них обжиговые печи детали арматуры и котлов;
- стойкие к коррозии, незаменимые для изготовления различных деталей в химической и авиационной промышленности, которые используются в агрессивных средах.
Характеристики чугуна
Для качественного чугуна характерны следующие качества:
- отличная теплоемкость;
- неплохая устойчивость к появлению коррозии;
- повышенная жаростойкость.
Эти и другие характеристики позволяют применять чугун и в быту, и в тяжелой промышленности. Особой популярностью пользуется посуда из чугуна российского производства. Из этого материала изготавливают не только сковороды и кастрюли, встречаются фондю, жаровни, формы для запекания, сотейники и грили.
Стоит отметить, что посуда из данного материала одинаково хорошо подходит для жарки блинов, приготовление тушеного мяса, каш, для томления плова. Дело в том, что чугун достаточно медленно нагревается, однако превосходно аккумулирует тепло и равномерно его распределяет. Эксперты говорят: производство посуды из чугуна занимаются разные компании. Все они выпускают изделия примерно одинакового качества. Из всего этого многообразия особо выделяется продукции петербургского завода «Нева». Именно этот завод является одним из крупнейших производителей чугунной посуды на территории Российской Федерации.
