ЧАСТЬ И
ОБЩАЯ ХИМИЯ
Сплавы.
Доменное производство чугуна
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 называются сплавами.
Сплав
— это смесь металла с одним или несколькими компонентами. Компоненты смешивают при
плавники; 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 — прочнее, 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 самые распространенные из
них.
Состав
некоторых сплавов
Название |
Состав, |
Алюмель |
Мn — 2, l — 2, Si — 1, Fe — 0,5, остальное Ni |
Бронза алюминиевая |
Al — |
Бронза бериллиевая |
Be — 2,0—2,5, остальные |
Бронза кремниевая |
Cu — 96-98, Si — 2-3,5 |
Бронза оловянная |
Cu — 89-91, Sn — 9-11 |
Фосфорная Бронза |
Cu — 93-94, Sn — 6-7, P — |
Сплав Вуда |
Bi — 50, Pb — 25, Sn — 12,5, Cd |
Дюралюмін |
Al — 93-96, Cu — 3,5—5, Mg — |
Латунь |
Cu — 57-60, Zn — 40-43 |
Константан |
Ni — 39-41, Mn — 0,4— 0,6, остальное |
Хромистая нержавеющая сталь |
Cr — 13-30, C до 2, остальное Fe |
Манганин |
Cu — 85, Mn — 11-13, Ni — |
Мельхиор |
Ni — 18-20, остальные |
Нейзильбер |
Ni — 15, Zn — 20, Cu — 65 |
Нихром |
Ni — 64-71, Cr — 14-16, Fe — |
Припой свинцово-оловянный |
Sn — 14-90, остальные |
Сплав для дроби |
Sb — 0,5—1,5, остальное |
Сталь |
C к 2, добавки |
Твердый сплав «победит» |
Co — 10, WC — 90 |
Типографский сплав |
Pb — 75, Sb — 20-24, Sn — |
Хромель |
Cr -9,5, Fe -0,3, остальные |
Чугун |
C — 2-5, Fe — 95-98 |
Чугун
и сталь
Самые распространенные
сплавы — это 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.
Еще
в древние времена, несколько тысячелетий назад, металлурги умели добывать непосредственно
с руды (железо оксида) мягкий сорт стали. Для этого в небольших печах (горнах) заключали
слоями железную руду и древесный уголь. Температуру, необходимую для превращения
руды в металл (восстановление 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 ст. 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 приобретал пластичности. С открытием способа переработки
чугуна в сталь начали строить большие печи и всю руду превращать 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 него 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 количество 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
феррум(III) 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 получается 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 с SiО2 и Аl2O3.
Образуемые
в процессе плавки силикаты, алюмосиликаты, алюминаты, некоторые сульфиды образуют
побочный продукт доменного производства — шлак. Он отмечается небольшой
плотностью и поэтому скапливается на поверхности чугуна, предотвращая его окисление.