ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

Сплавы. Доменное производство чугуна

Понятие о сплавы

Использование чистых металлов не всегда является выгодным. К тому же, не всегда можно найти металл, который полностью отвечает необходимым требованиям. В таком случае используют смеси металлов, которые называют сплавами.

Сплав - это смесь металла с одним или несколькими компонентами. Компоненты смешивают при пловцы; при застывании материала образуется однородный твердый материал. Через присутствие других химических элементов в составе сплавов свойства металлов меняются, и часто новый материал становится более прочным.

Например, латунь - сплав меди и цинка - крепче, чем чистые медь и цинк. Другой пример - дюралюминий - сплав алюминия и меди с небольшим количеством магния, железа и кремния. Этот материал используют в самолетостроении.

В чистых металлах благодаря металлической связи отдельные слои в кристаллах металлов могут сдвигаться относительно друг друга. Это придает металлам пластичности - способности изменять свою форму без разрыва химических связей. Поскольку различные металлы имеют подобные металлические связи, а в ряде случаев образуют подобные металлические кристаллы, то многие из них при переходе в расплавленное состояние могут смешиваться друг с другом, образуя сплавы. Сплавам присущи более разнообразные свойства по сравнению с металлами, поэтому в промышленности редко используют чистые металлы. В большинстве случаев для изготовления деталей различных машин и приборов применяют сплавы. Так, медь, олово и цинк - мягкие металлы, в то время как сплав на их основе - бронза - очень твердый, поэтому люди издавна использовали бронзу для изготовления оружия, плугов и других изделий, где требуется повышенная твердость. Сплав олова со свинцом (третник) применяют при пайке, потому что он имеет сравнительно низкую температуру плавления.

Сегодня существует огромное количество различных сплавов. В таблице приведены наиболее распространенные из них.

Состав некоторых сплавов

Чугун и сталь

Самые распространенные сплавы - чугун и сталь. Оба эти сплавы являются сплавами на основе железа. Главное отличие между ними - это содержание углерода. Если содержание углерода превышает 4 %, то такой сплав называют чугуном. Если же содержание углерода меньше 4 %, то такой сплав называют сталью. Содержание углерода в этих сплавах существенно влияет на их физические свойства. Если чугун является твердым и хрупким, то, в отличие от него, сталь представляет собой более мягкий и пластичный сплав. Кроме того, в состав стали добавляют еще некоторые другие металлы для добывания стали с необходимыми характеристиками. Так, добавление к стали марганца повышает ее износостойкость, что позволяет использовать ее для изготовления железнодорожных рельсов. А добавление хрома увеличивает устойчивость к коррозии; такую сталь называют іржостійкою.

Соответственно, содержание в этих сплавах определенных добавок определяет область их применения в народном хозяйстве.

Производство чугуна

Еще в древние времена, несколько тысячелетий назад, металлурги умели добывать непосредственно из руды (железо оксида) мягкий сорт стали. Для этого в небольших печах (горнах) заключали слоями железную руду и древесный уголь. Температуру, необходимую для преобразования руды в металл (восстановления железа), получали с помощью дутья. В конце процесса, длившегося несколько часов, выходил металл в твердом состоянии, в виде губчатой массы. Его извлекали из горнов и ковали. В XVIII в. началась промышленная революция. Под влиянием растущего спроса на металл начали строить более объемные горны и применять более интенсивное дутье. Изменение технологии привела к нежелательным результатам: в горнах, кроме твердой стали, выходил побочный продукт - жидкий чугун. В отличие от стали, он нековкий и непригоден для применения. Позже был разработан относительно простой способ переработки чугуна в сталь: через жидкий чугун продували воздух. При этом углерод выгорал, и сплав приобретает пластичности. С открытием способа переработки чугуна в сталь начали строить большие печи и всю превращать руду в чугун.

Как сырье для производства чугуна используют железную руду, состоящую из оксидов Железа, чаще всего Fe₂O₃. Она содержит также пустую породу, к состав которой входят соединения Кремния (SiO₂), Марганца (МnO₂), Алюминия (Аl₂O₃), Фосфора (Са₃(РO₄)₂), Серы (FeS₂, CaSO₄) и др.

Перед плавкой руду обогащают - удаляют из нее определенную часть пустой породы, затем измельчают крупные куски руды до необходимых (оптимальных) размеров, а пилувату руду спекают с углем подвергают агломерации.

В доменной печи протекает огромное число реакций, которые разделяют на несколько групп.

1-я группа реакций.

Горения кокса и образование восстановителя - карбон(II) оксида. Сегодня в домны, кроме воздух, поступает природный газ, который интенсифицирует процесс плавки и позволяет уменьшать расход дорогостоящего кокса:

2-га группа реакций.

Восстановление ферум(ІІІ) оксида карбон(II) оксидом протекает тремя последовательными стадиями:

3-я группа реакций.

Восстановление примесей. Благодаря этой группе ре акций много элементов пустой породы переходят в чугун:

Часть Серы из природных соединений переходит в чугун в виде соединения FeS, а часть - в сернистый газ SО₂, который выходит из доменной печи в смеси с другими газами, а затем улавливается.

4-и группа реакций.

Образование чугуна чаще всего описывают с помощью уравнения реакции между железом и коксом, а также между железом и угарным газом:

5-и группа реакций.

Образование шлака происходит следующим образом. Флюсы под воздействием высоких температур разлагаются с образованием реакционно-способных основных оксидов СаО и MgO. Они реагируют с теми компонентами пустой породы, которые имеют кислотные или амфотерные свойства, например SiО₂ и Аl₂O₃.

Образуемые в процессе плавки силикаты, алюмосиликаты, алюминаты, некоторые сульфиды образуют побочный продукт доменного производства - шлак. Он отмечается небольшой плотностью и поэтому накапливается на поверхности чугуна, предотвращая его окисление.