ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

Отличия между чугуном и сталью. Способы производства стали

Состав чугуна

Массовая доля элементов в чугуне: Карбона - до 4,5%, Фосфора - до 2,5%, Серы - до 0,8%. От содержания того или иного элемента и примесей зависят свойства чугуна и разделение его на сорта. Различают чугун белый и серый. Если Карбон в чугуне находится в виде графита, то такой чугун называют серым, или литейным. Его используют для изготовления відливків (больших деталей машин, маховиков, плит), которые не подвергаются ударам и механической обработке. Белый чугун (на рубеже он имеет светло-серый цвет) содержит Карбон в виде ферум карбида Fe₃C. Такой чугун называют перерабатывающим, его используют для переработки в сталь.

Состав стали

Сталь - это сплав железа с углеродом, массовая доля углерода в котором не превышает 4,0%. Сталь с большим содержанием углерода 4,0% называют твердой. Ее используют для изготовления инструментов. Сталь с минимальным содержанием углерода (до 0,3%) называют мягкой и ковкой. Сталь содержит также некоторые технологические примеси, которые могут быть как полезными, так и вредными. К полезным примесям относят марганец и кремний, они должны входить в стали любых марок (марганца от 0,3 до 0,9% , кремния от 0,2 до 0,5%). Если в процессе переработки чугуна в сталь эти элементы переходят в шлак, их специально добавляют в конце плавки. Марганец уменьшает красноломкость стали, то есть ломкость при обработке нагретой стали, а кремний предотвращает образование пористости в отливках, что может быть вызванное наличием пузырьков карбон(II) оксида. Добавки кремния и марганца делают сталь более качественной (легированной), то есть более износостойкой, жаропрочной т.д. В полезных легирующих добавок, которые специально добавляют в сталь, относят также хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, алюминий.

При выплавке стали из чугуна в ее состав переходят вредные примеси: Сульфур, Фосфор, Арсен, Стибій, Свинец, Цинк, Станум. Кроме того, в процессе плавки в сталь попадают Кислород, Азот, Водород. Эти газуваті вещества в жидкой стали реагируют между собой или с легувальними добавками (алюминием, кремнием, марганцем) и образуют хрупкие химические соединения (оксиды, сульфиды, нитриды), снижают качество відливків. Больше всего снижают качество стали такие примеси, как Сульфур и Фосфор. Сульфур, а точнее феррум(II) сульфид, придает стали ломкости при горячей обработке (красноломкость), а Фосфор (фосфор(V) оксид и фосфиды) предоставляет хладноломкости. Часть примесей (Сульфур и Фосфор) можно удалить в процессе плавки стали, если к ней добавить флюсы. Некоторые нежелательные примеси (Стибій, Плюмбум, Станум, Цинк) удалить из стали невозможно. Такие нежелательные примеси, как водород, кислород, азот удаляют из жидкой стали только после ее выплавки за помощью вакуумирования или продувки аргоном.

Химические реакции, которые находятся в основе переработки чугуна в сталь

1-я группа реакций. При выплавке чугуна протекают реакции восстановления Железа, а при переработке чугуна в сталь - реакции окисления примесей. Подобно тому как в доменном процессе протекали нежелательные процессы восстановления примесей, так и при выплавке стали происходит нежелательная реакция - окисление Железа. Следует отметить, что атмосфера в сталеплавильных печах является окислительной. В ней содержится воздух, кислород и пары воды. Именно они и вызывают окисление Железа, превращения его в ферум(ІІ) оксид, что можно изобразить уравнением

Доказано, что при выплавке стали никакой другой ферум оксид не образуется. Более того, если в сталеплавильную печь поместить оксиды Fe₃O₄ или Fe₂O₃, что содержащиеся в железной руде или в ржавчине металлолома, то они реагируют с железом как окислители, образуя все тот же феррум(II) оксид:

2-я группа реакций. Окисления примесей (кремния, марганца, фосфора) феррум(II) оксидом протекает по типу замещения. Образующиеся оксиды, кроме СО, представляют собой пористые твердые вещества и поэтому постепенно всплывают на поверхность стали. Окисления углерода вызывает в расплаве эффект кипения, что вызвано выделением пузырьков газа карбон(ІІ) оксиду. их движение играет положительную роль, поскольку способствует перемешиванию металла, очистке от шлака, который образовался в нем, а также от пузырьков азота и водорода.

3-я группа реакций. В нее входят процессы устранение соединений Серы и Фосфора негашеной известью СаО. Для более полного связывание указанных примесей известь используют не только для футеровки внутренних поверхностей печей, но и как добавки к стали. Кальций оксид при этом вступает в следующие реакции:

Сульфид и фосфат Кальция образуют шлак, который всплывает на поверхность стали, а железо оксид FeO остается в расплаве стали. Его устраняют тогда, когда количество углерода уменьшится до необходимого значения. Процесс устранения оксида FeO называют раскисленность стали. Этого достигают добавлением в расплав таких восстановителей, избыток которых не снизит качества стали. К раскислителей относят сплавы железа с марганцем или кремнием, а также алюминий.