§ 9. Чугун

Сыродутный способ получения железа из руды по экономическим соображениям в настоящее время не применяется. Теперь из руды сначала выплавляют чугун, часть которого идет на литье, а часть различными способами перерабатывается в сталь. Получение чугуна из руды осуществляется в доменных печах.

Родиной чугунолитейного производства, по-видимому, является Восток. В XIII в. чугунолитейное мастерство делается достоянием европейцев. В России первые доменные печи были построены в 1632 г. под Тулой (городищенские заводы).

Доменная печь представляет собой высокую башню, выложенную из огнеупорного кирпича. Снаружи для прочности домна оковывается стальными листами и полосами. В доменную печь через верхнее отверстие в своде загружают шихту, т. е. смесь руды, кокса и известняка.

Кокс служит топливом. Сгорая, он развивает температуру до 1900° С. Раньше вместо кокса применялся древесный уголь. Чугун, выплавляемый на древесном угле на Каслинском чугунолитейном заводе, построенном в 1646-1647 гг., обладал лучшими свойствами, так как он почти не содержал серы и был высокофосфорным.

Известняк служит флюсом. Флюс химически соединяется с пустой породой и золой, образуя легкоплавкий шлак. Шлак легко удаляется из домны через специальное отверстие - шлаковую летку, которая располагается немного выше чугунной летки.

Под влиянием высокой температуры начинается восстановление железа из руды, которая представляет собой окись железа, т. е. соединение железа с кислородом. Процесс восстановления заключается в следующем: углерод топлива (кокса) и образующаяся в печи окись углерода отнимают от руды кислород, а выделившееся чистое железо насыщается углеродом от раскаленного угля и превращается в чугун, который стекает на дно печи. Над чугуном, как более легкий, скапливается шлак.

Современные доменные печи за сутки выплавляют свыше 2000 т чугуна, а при кислородном дутье их производительность еще более повышается. Когда чугун готов, его выпускают из специального отверстия - чугунной летки. На старых заводах чугун отливался в песчаные формы, приготовленные на литейном дворе. На современных заводах для этого служит специальная разливочная машина, представляющая собой длинный конвейер с чугунными формами. На одном конце конвейера идет разливка, а с другого конца на железнодорожную платформу сходят уже остывшие чушки чугуна. В том случае, если сталелитейные цехи расположены рядом с доменным, расплавленный чугун доставляется туда в специальных миксерах, укрепленных на колесах.

При доменном процессе получаются следующие виды чугуна:

1. литейный, или серый;
2. передельный, или белый;
3. специальный чугун, или ферросплавы.

Литейный, или серый, чугун с содержанием углерода от 3,2 до 4,1% идет на чугунное литье. Он широко применяется в художественной промышленности и при изготовлении декоративных архитектурных деталей.

В литейном чугуне большая часть углерода находится в форме свободного графита. Это объясняется повышенным содержанием кремния, который является полезной примесью серого чугуна, способствующей выделению углерода в виде мелких пластинок графита. Кремний попадает в чугун из кварца во время доменного процесса, и его содержание составляет 1,25 - 4,25%. Свежий излом серого чугуна имеет серый цвет, откуда он и получил свое название.

В литейных чугунах, предназначенных для художественного литья, допускается сравнительно высокое - до 1,2% содержание фосфора. Он попадает в чугун при плавке из руды. Фосфор увеличивает жидкотекучесть и дает хорошее заполнение формы, хотя повышенное содержание фосфора увеличивает хрупкость чугунных отливок после их остывания - так называемую хладоломкость, но для художественных изделий это не столь существенно.

Вредной примесью в литейных чугунах является сера. Она в противоположность фосфору вызывает густоплавкость расплавленного металла, а при застывании металла способствует образованию усадочных раковин и трещин, а также вызывает красноломкость, т. е. разрушение металла при высокой температуре. В чугун сера попадает из кокса, ее содержание в литейных чугунах не должно превышать 0,05%.

Присутствие марганца в сером чугуне, с одной стороны, ослабляет действие серы и способствует удалению окислов, но в то же время препятствует выделению углерода в виде графита, т. е. оказывает противоположное действие по сравнению с кремнием. Поэтому в литейных чугунах его содержание желательно иметь в пределах 1%.

Серый чугун хорошо обрабатывается резанием; он отличается меньшей хрупкостью и меньшей твердостью по сравнению с белым чугуном. Цвет его после отделки от теплого темно-серого до черного с коричневатым оттенком одинаково красив и на матовой, и на гладкой блестящей поверхности. Плотность серого чугуна находится в пределах 7-7,5; температура плавления 1200-1300°С. Чугун обладает лучшими антикоррозионными свойствами по сравнению со сталью и является более долговечным материалом.

Особенностью антикоррозионных свойств чугуна является их способность возрастать во времени. Например, в первый год после отливки изделия скорость коррозии выражается в 160-180 г на 1 м² поверхности в год, а по прошествии 6 лет - всего 2-3 г на 1 м² в год. Наиболее прочно литье из серого чугуна работает на сжатие, примерно в два раза слабее на изгиб и в три-четыре раза хуже на растяжение. Эти свойства литого чугуна необходимо учитывать при проектировании различных художественных изделий, предназначенных под отливку.

Серый чугун как материал для изделий прикладного искусства применяется чрезвычайно широко. Благодаря своей высокой коррозионной стойкости литейный чугун является одним из основных материалов для производства различных изделий экстерьерного характера: ваз и скульптур, парковых декоративных фигур и фонтанов, садовых оград, ворот, надгробных плит и решеток. Высокая прочность на истирание и долговечность определяют применение чугуна для изготовления плит для полов, ступеней и ограждений лестниц и др.

Наконец, исключительно высокие литейные свойства позволяют отливать тончайшие ажурные предметы с красивым черно-коричневым цветом. Чугун является прекрасным материалом для производства всевозможных мелких бытовых предметов: настольных фигур, ларцов, шкатулок, пепельниц, дверных ручек, туалетных принадлежностей и даже цепочек для часов, которые с исключительной виртуозностью отливались еще на знаменитых уральских Каслинском и Кусинском заводах. Там же был отлит по частям ажурный павильон для Всемирной выставки в Париже в 1900 г. На рис. 4 показан фрагмент ажурной вставки этого павильона.

Рис. 4. Чугунная литая деталь павильона на Всемирной выставке в Париже в 1900 г. г. Касл'

Чугун на Руси начали отливать в XVI в. Наиболее древними образцами художественного литья из чугуна, относящегося к XVI и XVII вв., являются орнаментальные плиты полов в древних соборах, двери и надгробные плиты.

При Петре I чугунолитейное дело развивается довольно быстро. Появляются чугунолитейные заводы на Урале. В 1774 г. в Петербурге был построен Александровский завод, который после оборудования его новыми доменными и пламенными печами начал выпускать самые разнообразные художественные изделия: вазы, статуи, колонны, решетки и т. п. Например, на этом заводе были отлиты чугунные ворота дома Демидова в Москве, решетки для Ассигнационного Банка в Петербурге и др.

В дальнейшем в XIX в. чугун как материал для художественного литья использовался очень широко. Крупнейшие русские архитекторы и скульпторы применяли чугунное литье для воплощения своих художественных замыслов. Исключительной по своей композиции и красоте является чугунная решетка у Казанского собора, отлитая по проекту архитектора А. Н. Воронихина, а также другие замечательные орнаментальные чугунные ограды нынешнего Ленинграда. Великолепными образцами чугунного статуарного и барельефного литья являются фигуры воинов и "Славы" скульптора И. П. Витали, а также гербы и фризы, украшавшие Триумфальную арку, построенную в Москве в 1829-1834 гг. (в 1930 г. при реконструкции улицы Горького арка была снесена и теперь восстановлена на Кутузовском проспекте).

Из современного художественного чугунного литья можно отметить отлитую на Мытищинском заводе художественного литья фигуру рабочего, выполненную по модели скульптора А. Е. Зеленского и поставленную около наружного вестибюля станции московского метро "Краснопресненская", решетки Страстного бульвара и другие работы.

Кроме литейного, или серого, чугуна существуют передельный, или белый, чугун и специальный чугун. Однако оба эти вида чугуна в художественной промышленности не применяются. Передельный чугун идет на дальнейшую переработку в сталь, что подтверждает его название; специальные чугуны применяются также в сталеплавильном производстве в качестве добавок.

Разновидностью белого чугуна является ковкий чугун. Он получается при отливке изделий из белого чугуна с последующей термической обработкой в течение нескольких часов при температуре 950-1000°С. По своим механическим свойствам ковкий чугун занимает среднее место между чугуном и сталью. Он более вязкий, подвергается правке и чеканке, но не куется. В зависимости от того, как производится отжиг изделий, можно получить два варианта ковкого чугуна: черносердечный и белосердечный.

Если отливку из белого чугуна нагреть до высокой температуры, предварительно поместив ее в железный ящик, и засыпать со всех сторон ржавой железной стружкой или окалиной, то часть углерода выгорит и получится белосердечный чугун. Если при нагревании отливки вместо железной стружки насыпать песок или шлак, то углерод сохранится в сплаве, но только выделится в виде круглых гнездообразных включений графита - такой чугун называется черносердечным. Белосердечный и черносердечный чугуны легко отличаются друг от друга по виду и цвету свежего излома.

Черносердечный чугун иногда применяется при отливке мелких художественных изделий сложной формы, требующих тщательной отделки, которая осуществляется чеканкой.

Легированный чугун представляет собой разновидность обыкновенного серого чугуна и отличается от него содержанием специальных примесей других металлов, например никеля, хрома, меди, вольфрама и т. п. Эти примеси повышают стойкость против коррозии, а также механические свойства чугуна.

Зеркальный чугун - это один из сортов специального чугуна; излом его белый, лучистый, он содержит углерода 4-5% и марганца 10-22%.