Чаву́н — сплав заліза з вуглецем (понад 2 % вуглецю за масою) та іншими елементами, який відзначається наявністю евтектичного перетворення: нестабільного (цементитного) або стабільного (графітного)ДСТУ 2891-94 Чавун для виливків. Терміни та визначення.. Чисте залізо має обмежене застосування. В техніці зазвичай, використовують сплави заліза з вуглецем, які поділяють на сталі і чавуни. Сталі містять до 2 % вуглецю, а чавуни — від 2,14 до 6 % вуглецю.
У чавуні, окрім заліза і вуглецю, завжди є низка інших домішок: кремній, марганець, фосфор, сірка та інші, які потрапляють у чавун або з сировини і палива під час його виробництва, або додаються спеціально. Домішки, що містяться у чавуні навіть у незначній кількості — сотих частках відсотка — можуть значною мірою впливати на властивості чавуну.
За застосуванням, чавуни поділяються на переробні, що використовуються для переробки на сталь, ливарні, які використовуються для лиття, та спеціальні чавуни — феросплави, котрі застосовуються як добавки для виробництва сталі.
Порівняно зі сталями чавуни мають нижчі механічні властивості, але значно кращі технологічні (ливарні, оброблюваність різанням, антифрикційні властивості, зносостійкість). Це зумовлює широке використання чавуну для виготовлення багатьох деталей у різних галузях машинобудування.В. В. Хільчевський, С. Є. Кондратюк, В. О. Степаненко, К. Г. Лопатько. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів. — К.: «Либідь», 2002. С. 104.
Слово «чавун» походить з тюркських мов,Чавун. // Етимологічний словник української мови: У 7 т. / Редкол. О. С. Мельничук (голов. ред.) та ін. — К.: Наук. думка, 1983 — . — Т. 6: У — Я / Уклад.: Г. П. Півторак та ін. — 2012. — С. 274. ISBN 978-966-00-0816-8. до яких воно потрапило, імовірно, з китайської мови.Н. Баскаков. К проблеме китайских заимствований в тюркских языках. // Turcica et Orientalia. Studies in honour of Gunnar Jarring on his eightieth birthday. — Istanbul, 1987.
Історія
Див. також Перші чавуноливарні технології та їх розвиток
Найдавніші артефакти, виготовлені з чавуну, були знайдені на території східної частини сучасного Китаю під час археологічних розкопок і відносяться до 5 ст. до н. е.Donald B. Wagner (1993).Iron and Steel in Ancient China . BRILL. pp. 60 — 81, 335—340. ISBN 978-90-04-09632-5 Перша письмова згадка про чавун трапляється у китайському літописі «Цзо чжуань» (складений близько 389 до н. е.) у записі, що стосується 513 р. до н. е. У Китаї одержували чавун з високофосфористих залізних руд, тому він містив до 7 % фосфору і мав низьку температуру плавлення. З нього виливали різноманітні вироби . Чавун виплавляли у невеличкій печі заввишки до 1 м, яка була з'єднана зі спеціальним дуттьовим ящиком, за допомоги якого інтенсивно подавалося повітря (дуття) у піч, що забезпечувало високі температури в печі й створювало умови для навуглецювання заліза, утворення чавуну і його плавлення (чавун має температуру плавлення нижчу від температури плавлення чистого заліза). Дутьові ящики приводилися в дію або вручну або за допомоги водяного колеса.
До нашої ери на всій території Європи чавун був майже невідомий. Залізний вік. // Радянська енциклопедія історії України. — Том 2: Державін — Лестригони / Ред. кол.: А. Д. Скаба та ін. АН УРСР. — К.: Головна редакція української радянської енциклопедії, 1970. — 606 с. — С. 180. Втім, він дещо був відомий античним європейським металургам 4–5 століть до н. е. Він утворювався у сиродутних горнах разом з основним продуктом — крицею (губчастим залізом) при відхиленнях від сиродутного процесу. Арістотель відзначав, що при великому нагріванні у горну може утворитись залізо рідке, яке після застигання відрізняється від звичайного заліза. Пліній Старший у «Природничій історії» писав: «Залізо при плавленні стає рідким, як вода, і після цього ламається подібно до губки.» Ламкість заліза в цьому разі говорить про те, що мова йде саме про чавун. На території України унікальною є знахідка уламків чавунного казана на поселенні біля села Миколаївка Одеської області в шарах 4–3 століть до н. е.
Нове знайомство європейських металургів з чавуном, причому в більших масштабах, відбулося вже за Середньовіччя, у 11–12 століттях, так само при відхиленнях від сиродутного процесу, який провадився на той час вже у великих сиродутних печах заввишки до 4–5 м — штюкофенах. Припускається, що знайомство з чавуном відбулося неочікувано для самих металургів.
Чавун не піддається куванню через свою ламкість і спочатку його вважали небажаним відходом виробництва, утворення якого зменшувало вихід придатного продукту — криці. Перший європейський чавун виплавляли на теренах Священної Римської імперії наприкінці XIV ст., майже одночасно в австрійській Штирії та Північній Італії. Лише згодом з чавуну навчилися робити відливки і почали використовувати його в ливарництві. З нього виготовляли посуд, гармати, прилади для камінів тощо. Ще пізніше навчилися повторно переплавляти його з рудою у кричному горні й отримувати з нього ковке залізо. При цьому було помічено, що виплавка напівпродукту — чавуну — в одному агрегаті і подальша його переробка на ковке залізо в іншому агрегаті має велику економічну ефективність порівняно з прямим сиродутним процесом отримання заліза у сиродутних горнах. Витрата деревного вугілля скоротилася вдвічі, вихід заліза збільшився у півтора раза, зросла продуктивність виробництва заліза. Після цього металурги почали будувати доменні печі, єдиним продуктом яких був лише рідкий чавун. Весь подальший розвиток металургії заліза відбувався як вдосконалення цього двоступеневого способу виробництва сталіМеталлургия чугуна. Ефименко Г. и др. Изд. 2. — К.: Вища школа, 1974. С. 13..
З 1500 р. до 1700 р. світова виплавка чавуну зросла приблизно з 60 тис. т до 104 тис. т. (в 1,7 разів), а за все XVII ст. з 104 тис. т до 278 тис. т (1790), тобто у 2,67 разів. А за наступні 80 років з 1790 по 1870 виплавка чавуну зросла до 12 млн т, тобто в 43 рази.
На частку Англії припадало в 60 роках XIX ст. понад 50 % всього виплавленого чавуну. Але в другій половині XIX ст. Англію за темпами розвитку чорної металургії обігнали США та Німеччина.
Світове виробництво чавуну в 2009 склало 898 261 000 тонн, що на 3,2 % нижче, ніж у 2008 (927 123 000 т)Світове виробництво чавуну за 2009 рік знизилося на 3,2 %. 2014 року в світі було виплавлено тис. т доменного чавунуMonthly iron production на сайті Worldsteel Association . .
Економіка чавуну Експорт чавуну в Україні у 2005 склав 879,07 тис. тонн на 216,07 млн. доларів.
+Світова десятка країн, що є найбільшими виробниками чавуну (у різні роки)http://www.worldsteel.org/dms/internetDocumentList/iron-stats/2016/Iron-production-data-Jan-Apr-2016-vs-2015_/document/Iron%20production%20data%20Jan-Apr%202016%20vs%202015.pdf 2008 2014 2022 № п/п Країна Виробництво, млн. т % від світового вироб-ництва № п/п Країна Виробництво, млн. т % від світового вироб-ництва № п/п Країна Виробництво, млн. т % від світового виробн-ицтва 1 Китай 543,748 60,53 1 Китай 711,600 60,33 1 Китай 877,2 (з них КНР — 863,8 , Тайвань — 13,4 ) 67,44 (КНР і Тайвань разом) 2 Японія 66,943 7,45 2 Японія 83,870 7,11 2 Індія 79,9 6,14 3 РФ 43,945 4,89 3 Індія 53,797 4,56 3 Японія 64,1 4,93 4 Індія 29,646 3,30 4 РФ 51,480 4,36 4 РФ 51,6 3,97 5 Південна Корея 27,278 3,04 5 Південна Корея 46,898 3,98 5 Південна Корея 42,7 3,28 6 Україна 25,676 2,86 6 США 29,345 2,49 6 Бразилія 26,8 2,06 7 Бразилія 25,267 2,81 7 Німеччина 27,626 2,34 7 Німеччина 23,9 1,84 8 Німеччина 20,154 2,24 8 Бразилія 26,913 2,28 8 США 20,0 1,54 9 США 18,936 2,11 9 Україна 24,786 2,10 9 Туреччина 9,1 0,7 10 Франція 8,105 0,9 10 Франція 10,866 0,92 10 Франція 8,2 0,63 11 Інші 88,563 9,86 11 Інші 112,342 9,52 11 Інші 97,2 7,47 Загалом в світі 898,261 Загалом в світі 1179,523 Загалом в світі 1300,7 Примітки. 1. Виробництво чавуну в Україні у 2022 році — 6,4 млн т 2. Виробництво чавуну в Євросоюзі 2014 року становило 95,088 млн т., у 2022 році — 70,9 млн т. , 2. — збільшення й зменшення виробництва чавуну порівняно з 2021 роком.
Виробництво чавуну та Доменне виробництво Основним способом отримання чавуну є доменне виробництво, одержаний в такий спосіб чавун називається доменним чавуном. У відносно незначній кількості також одержують так званий синтетичний чавун в електричних печах зі сталевих відходів з додаванням карбюризаторів.
Чавун при доменному виробництві одержують із залізорудної сировини (виготовлених з залізної руди окатків або агломерату) в спеціальних вертикальних печах, які називаються доменними печами, або домнами. Доменні печі — це складні споруди з вогнетривкого матеріалу із зовнішньою сталевою обшивкою. Висота сучасних доменних печей сягає 30 м, а внутрішній діаметр у найширшій частині — до 13 м.
Добова продуктивність доменної печі, в залежності від її корисного об'єму, може становити від 2000 т до 10000 т чавуну на добу. Доменна піч після її пуску працює безперервно 5–6 років, а то й і до 10 років. Потім її ремонтують і знову пускають у роботу.
Операції з підготовки шихти, завантаження 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 вапняк 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 2000 °C) досягається в нижній частині домни у зоні горіння коксу, а найнижча (до 200 °C) — у найвищій частині — на колошнику.
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 у 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, що міститься у коксі: FeO + C = Fe + CO ↑ Відновлення заліза з руди закінчується при температурі 1000—1100 °C. При цій температурі частково відновлюються й інші елементи зі сполук, що входять до складу руди як домішки, — манган, кремній, 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 1538 °C, а чавун із вмістом вуглецю 4,3 % плавиться при 1130 °C. Це найнижча температура плавлення чавуну. Доменний чавун містить зазвичай 3–4 % вуглецю і плавиться при 1200—1300°С.