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 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

 

Названиеp>

Состав,
%

Алюмель

Мn — 2, l — 2, Si — 1, Fe — 0,5, остальное Ni

Бронза алюминиевая

Al
4,5—5,5, остальное
Cu

Бронза бериллиевая

Be — 2,0—2,5, остальные
Cu

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 —
0,3—0,4

Сплав Вуда

Bi — 50, Pb — 25, Sn — 12,5, Cd
— 12,5

Дюралюмін

Al — 93-96, Cu — 3,5—5, Mg —
0,3—1, Mn — 0,3—1

Латунь

Cu — 57-60, Zn — 40-43

Константан

Ni — 39-41, Mn — 0,4— 0,6, остальное
Cu

Хромистая нержавеющая сталь

Cr — 13-30, C до 2, остальное Fe

Манганин

Cu — 85, Mn — 11-13, Ni —
2,5—3,5

Мельхиор

Ni — 18-20, остальные
Cu

Нейзильбер

Ni — 15, Zn — 20, Cu — 65

Нихром

Ni — 64-71, Cr — 14-16, Fe —
14-17, Mn — 1 — 1,8

Припой свинцово-оловянный

Sn — 14-90, остальные
Pb

Сплав для дроби

Sb — 0,5—1,5, остальное
Pb

Сталь

C к 2, добавки
Si, S, P, O, N к 1, остальное Fe

Твердый сплав «победит»

Co — 10, WC — 90

Типографский сплав

Pb — 75, Sb — 20-24, Sn —
1,8—4,3, Cu — 1

Хромель

Cr -9,5, Fe -0,3, остальные
Ni

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.

 

Производство
чугуна

 

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
nO2),
Алюминия (А
l2O3), Фосфора (Са3O4)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.