8.1. Общие сведения о металлические элементы и металлы

8.1.6. Сплавы на основе железа (чугун, сталь)

Чугун и сталь - это сплавы на основе железа. Цикл черной металлургии включает в себя:

• чугунно-доменное производство¹;

• производство стали и ферросплавов;

• производство проката и других изделий.

Существуют предприятия полного цикла, выпускающие и чугун, и сталь, и прокат.

Производство чугуна

Чугун выплавляют в основном в доменных печах при высоких температурах (2000 °С). Чугун - это обычно хрупкий стал железа с углеродом (2,14-6,67 %), который содержит примеси Кремния, Марганца, Фосфора и Серы (сумма их массовых долей превышает 8 %), а иногда и легирующие элементы (Алюминий, Хром, Ванадий, Никол т.д.).

В домну загружают железную руду (гематит Fe₂О₃, магнетит FeO · Fe₂О₃), кокс (С) и флюсы (известняк), которые необходимы для связывания пустой породы (песка), которую содержит любая руда. Кокс сгорает:

Кальций карбонат разлагается:

Кальций оксид кремний реагирует с оксидом:

Кальций силикат легко отделяется в виде легкоплавкого шлака².

Углекислый газ восстанавливается до СО:

Процесс восстановления оксидов Железа проходит в несколько стадий:

Оксиды ряда элементов (Марганца, Серы, Фосфора) также восстанавливаются до неметаллов:

Часть восстановленного железа реагирует с коксом и карбон(II) оксидом, образуя железо карбид Fe₃C (цементит):

Образован чугун хрупкий, не поддается ковке и проката.

Производство стали

Сталь - это сплав железа с углеродом (с массовой долей углерода от 0,022 до 2,14 %), что делает ее более твердой и менее вязкой, чем железо, и пластичнее, чем чугун. Сталь выплавляют из чугуна тремя основными методами: кислородно-конверторным (63 % мирового производства стали), варкой стали в электропечах³ (более 30 %) и мартеновским (2,2 %)⁴ . Через расплавленный чугун продувают кислород, примеси выгорают, их удаляют в виде шлака⁵:

Кислород, который поступает к печи, окисляет также и часть железа:

Образующийся оксид, восстанавливаясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне:

Эти оксиды образуют шлак.

Легированные стали могут содержать другие - металлические и неметаллические - примеси (до 50 %). Они значительным образом влияют на свойства сплава.

______________________________________________________

¹ На замену ему приходят значительно более дешевые методы прямого восстановления железа из руды с помощью синтез-газа (смеси карбон(II) оксида и водорода): получают губчатое железо, которое идет в электрическую печь для выплавки стали.

² Мощное металлургическое производство (Украина занимает 6-е место в мире по производству чугуна) накапливает огромные количества шлака в отвалах. Шлаки и другие отходы черной и цветной металлургии, различных горно-обогатительных комбинатов, электростанций могут покрывать значительные территории вокруг этих предприятий, создавая серьезную экологическую проблему, в частности, становятся источником токсичного, радиоактивного загрязнения почвы, грунтовых вод и водоемов, атмосферы.

³ Существует два метода: дуговой и индукционный. Оба ценны тем, что выплавку стали можно проводить в любой атмосфере или в вакууме), что соответственно отражается на свойствах конечного продукта. В начале 60-х годов в Киеве во Всесоюзном институте электросварки им. Есть. О. Патона был разработан способ электрошлакового переплава стали (а несколько лет спустя сотрудниками Центрального НИИ черной металлургии им. И. П. Бардина - еще проще и эффективнее).

⁴ 3 1970 p. в мире новые мартеновские печи не строят. В Украине этим методом выплавляют более 40 % стали (2008 p.).

⁵ Томасшлак (примерный состав - Са₃(РО₄)₂ · СаО) - ценное минеральное удобрение, продукт взаимодействия фосфор оксида Р₂О₅ с известью СаО. Образуется в виде шлака во время конверторного производства стали:

Р₂О₅ + 3СаО = Са₃(РО₄)₂