Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 14. МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНЫХ ПОДГРУПП

§ 14.9. Чугун и стали

Выплавленный в домне чугун содержит железа около 93 %, углерода до 4,5 %, кремния 0,5-2 %, марганца 1-3 %, фосфора 0,02-2,5 % и серы 0,005-0,08 %. Чугун хрупкий, не поддается ковке и прокатуванню. Различают два вида чугуна: серый и белый.

Серый чугун содержит карбон в виде графита и на изломе имеет серый цвет. В технике он применяется для литья (отливки тяжелых частей машин, маховиков, плит и т.п.).

Белый чугун содержит карбон главным образом в виде цементита Fe₃C, он светлее серый. Весь белый чугун идет на дальнейшую переработку в сталь.

В твердой стали содержание углерода составляет от 0,3 до 1,7 %. В мягкой стали (раньше ее называли ковким железом) карбона содержится до 0,3 %. Сталь в отличие от чугуна легко поддается ковке и прокатуванню. При быстром охлаждении она получается очень твердой, при медленном - мягкой. Мягкую сталь легко обрабатывать. Из нее изготавливают гвозди, болты, проволока, кровельное железо, детали машин. Из твердой стали изготавливают инструменты. Большое значение в современной технике имеют легированные стали. Они содержат так называемые легирующие элементы, в которых лежат хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, марганец, медь, кремний и др. Легирующие элементы добавляют для придания стали определенных свойств. Так, хромоникелевые стали, содержащие кроме обязательных примесей хром и никель, имеют высокие механические и антикоррозионные свойства, а также являются жаростойкими. Из них изготавливают многочисленные части машин и предметы домашнего обихода (нержавеющие ложки, вилки и др.). Хромомолібденові и хромованадієві стали твердые и прочные при повышенных температурах и давлениях. Они идут на изготовление трубопроводов, деталей авиадвигателей и компрессоров. С хромовольфрамових сталей изготавливают режущие инструменты. Марганцевисті стали очень устойчивы к трению и удару.

Задача переработки чугуна на сталь сводится к удалению из него избытка углерода и других примесей. Это достигается путем их окисления. При высокой температуре кислород легко сочетается с карбоном и другими примесями, образуя оксиды. Оксид углерода(II) удаляется в виде газа, а остальные оксиды, реагируя с флюсами, образуют шлак, который всплывает на поверхность стали.

Особенно нежелателен в сталях повышенное содержание фосфора и серы: фосфор делает сталь ломкой, а сульфур приводит к образованию трещин при обработке каленой стали. Эти примеси удаляют, добавляя к расплавленного чугуна известь. Оксид фосфора(V) Р₂О5 с известью образует томасовский шлак состава Са₃(РO₄)₂ ∙ СаО:

Р₂О₅ + 4СаО = Са₃(РO₄)₂ СаО.

Процесс удаления серы можно изобразить уравнением:

FeS + СаО = CaS + FeO.

Томасовский шлак используют как фосфорное удобрение.

Основными способами переработки чугуна на сталь является мартеновский и электротермический. При мартеновском способе процесс осуществляют в особых печах, которые называют полуменевими регенеративными мартеновскими печами (рис. 14.2). В плавильную ванну печи загружают чугун, а также железный лом, чистую руду (они содержат кислород) и известь (флюс). Печь обогревается газом, который сгорает над загруженной ванной. Температура в печи достигает 1 800°С. Шихта плавится, и происходит окисление кокса и примесей, содержащихся в чугуне, кислородом воздуха, поступающего в печь вместе с горючими газами, а также кислородом железного лома и руды. При мартеновском способе добывания стали кислородное дутье сильно интенсифицирует процесс: повышается производительность печей, уменьшается расход топлива, увеличивается выход стали, улучшается ее качество.

Рис. 14.2. Мартеновская печь для переработки чугуна на сталь:

1 - газ; 2 - воздух; 3 - чугун; 4 - продукты сгорания

В мартеновской печи легко добывать легированные стали. Для этого необходимо перед окончанием плавки добавить необходимые металлы или сплавы.

Однако легированные стали выплавляют конечно в особых электрических печах при температуре более С 000°С. Это - электротермический способ, который применяют для добывания сталей, содержащих тугоплавкие металлы - молибден, вольфрам и др.

Мартеновским способом производят около 85 % стали. Наряду с ним применяют бессемеровский и томасовский способы.

При способе бесемерівському расплавленный чугун поступает в специальный конвертера (рис. 14.3) - как правило, груше-

Рис. 14.3. Конвертер для выплавки стали из чугуна

подобной стальной емкости, выложенной внутри огнеупорным материалом (футеровкой). Сосуд может вращаться. Через конвертер продувается воздух. Однако при этом способе переработки чугуна содержание серы и фосфора в нем почти не уменьшается, что является недостатком способа.

Томасовский способ применяют для переработки чугуна, который выплавляют из железных руд, богатых фосфором. Главная отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровка конвертера изготавливается из доломитовой массы, а в конвертер добавляют известь для связывание оксида фосфора(V), что образуется в результате сгорания фосфора. Шлак, который при этом образуется, называется томасівським и содержит около 20 % Р₂О₅. Химизм всех способов добывания стали одинаковый.

Чистое железо как простое вещество, можно добыть восстановлением оксида железа водородом при нагревании, а также электролизом растворов его солей.