Также по теме

МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ

МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ, железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом, называемых сталями, изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности. Легковые, грузовые автомобили, станки, железные дороги, корпуса и силовые установки судов – все это делается в основном из стали. Масштаб производства стали является одной из основных характеристик общего технико-экономического уровня развития государства. На долю стали приходится около 95% всей металлической продукции.

Важная роль железа и его сплавов в технике и промышленности обусловлена удачным сочетанием их свойств и ряда других факторов. Во-первых, в земной коре очень много железной руды; ее залежи встречаются повсюду, а добыча не представляет особых трудностей. Во-вторых, из железной руды довольно легко выплавляется железо. Благодаря обилию руды и относительной несложности выплавки железо – недорогой и широко распространенный материал. В-третьих, на основе железа можно получать широкий спектр конструкционных материалов разного рода, обладающих самыми разнообразными свойствами. Например, чугун – прочный материал с довольно низкой температурой плавления, которому путем литья можно придать любую форму. Сталь, в зависимости от ее состава, может быть либо прочным, но пластичным материалом для изготовления, скажем, профильного проката, из которого строят мосты и морские суда, либо очень твердым и тугоплавким материалом для металлорежущего инструмента. В-четвертых, железо – единственный известный недорогой магнитный материал, а потому из него можно делать магнитные сердечники трансформаторов, электромашинных генераторов тока и электродвигателей.

Сплавы железа.

Чистое железо в технике почти не применяется. Одним из первых видов вырабатывавшегося железа было сварочное железо, практически чистое, но в настоящее время оно не находит заметного применения. Конструкционные материалы любого назначения с наиболее подходящими свойствами получают, сплавляя железо с другими химическими элементами.

Сталь – это, прежде всего, сплав железа с углеродом. В такой сплав могут входить и другие элементы, но углерод – непременный компонент стали. Содержание углерода в стали может достигать примерно 2%. В нелегированной стали другим компонентом может быть только марганец. Он вводится для снижения хрупкости, обусловленной присутствием в стали серы, которая не удаляется при промышленном переплаве. Содержанием углерода определяется прочность нелегированной стали. Сталь, содержащая ок. 0,2% углерода, называется конструкционной и пригодна для изготовления каркаса, скажем, высотного дома или автомобиля. С увеличением процента углерода сталь становится тверже. При 0,8% С сталь пригодна для изготовления сверл и молотков, при 1% – бритвенных лезвий и напильников. Такие «высокоуглеродистые» стали называются инструментальными. Для повышения ударной вязкости или для сохранения прочностных характеристик при повышенных температурах к стали могут добавляться и другие легирующие элементы (никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий) общим количеством примерно до 5%. Такие стали называются легированными. В состав нержавеющих сталей входят хром и обычно никель в суммарном количестве до 25%. Нержавеющие стали прочны и антикоррозионны.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более 2% углерода. Почти всегда в них входит и кремний. Углерод и кремний в значительном количестве понижают температуру плавления и повышают жидкотекучесть расплава. Чугун может выплавляться в простых, недорогих печах, а благодаря его высокой жидкотекучести – разливаться в литейные формы сложной конфигурации. Из чугуна изготавливают столь разнообразные изделия, как рояльные рамы, трубы и сковороды, а также станины прокатных станов, токарных и фрезерных станков. Железный сплав, содержащий 3–4% углерода и кремния, называется серым чугуном из-за цвета поверхности его излома. При меньшем содержании углерода и кремния и быстром охлаждении отливки получается твердый и хрупкий белый чугун. При литье в кокиль на части или на всей поверхности отливки образуется слой износостойкого белого чугуна. Отливки из белого чугуна можно термообработкой превратить в ковкий чугун, по механическим свойствам близкий к мягкой (малоуглеродистой) стали. Повышение пластичности чугуна обусловлено перераспределением углерода в металле при отжиге. Сходные результаты достигаются путем добавления в расплавленный чугун такого элемента, как никель; получающийся при этом материал называется чугуном с шаровидным графитом.

Чугун можно разливать по изложницам непосредственно из доменной печи и обрабатывать, обходясь минимумом крупного оборудования. Когда промышленно развитые страны достигают высокого уровня благосостояния, они начинают больше средств инвестировать в сталеплавильное производство, а потребление чугуна снижается.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Основной сектор черной металлургии – выплавка передельного чугуна в доменной печи. Для работы доменной печи необходимы большие количества руды, топлива (каменного угля), известняка и воды (для охлаждения). Железная руда и топливо в наши дни могут быть доставлены в любую точку мира. Поэтому, например, в Японии чугун может выплавляться из руды, добытой в Австралии, и на угле из Западной Виргинии (США).

Доменная печь.

При достаточно высокой температуре оксид железа реагирует с моноксидом углерода (CO), давая диоксид углерода (CO2) и металлическое железо. Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно. На практике сверху вниз по шахте печи непрерывно продвигаются углерод и оксид железа, а навстречу им снизу движется воздух. Углерод в виде кокса играет двоякую роль: при сгорании он нагревает печь и образует газ CO, который восстанавливает оксид железа до металла. В верхней части печи из нее отводится диоксид углерода, а в нижней – выпускается жидкий металл. Обычно печь работает непрерывно до ее остановки для ремонта внутренней кирпичной кладки (футеровки).

Основные реакции, протекающие в доменной печи, можно представить простыми уравнениями. Когда вдуваемый воздух приходит в контакт с коксом, последний горит:

образуя газообразный моноксид углерода. Этот газ является основным восстановительным агентом для оксида железа. Восстановление протекает в три стадии

когда температура опускающейся смеси руды с коксом достигает 600–700° С. В результате образуется твердое, но пористое губчатое железо, которое затем плавится в нижней, более горячей части доменной печи (горне).

Если бы доменную печь можно было загружать чистыми оксидом железа и углеродом и продувать чистым кислородом, то термохимия доменной печи сводилась бы к написанным выше простым уравнениям. На самом же деле во вдуваемом воздухе больше азота, чем кислорода, а руда может содержать свыше 50% безрудных минералов (пустой породы), в основном силикатов. Азот проходит через печь, не вступая в реакцию, но с силикатами дело сложнее. Чтобы можно было отделить силикаты от железа и вывести из печи, они должны быть жидкими. Силикаты, содержащиеся в железной руде, образуют расплавленный шлак при взаимодействии с известью CaO. Для этого в печь вместе с рудой загружают в нужной пропорции известняк CaCO3. Известняк, или «флюс», разлагается в верхней части печи соответственно реакции

образуя известь, необходимую для перевода силикатных примесей железной руды в жидкий шлак. Доменная печь дает почти столько же шлака, сколько и чугуна. Затвердевая, шлак превращается в темный стекловидный материал, который в прошлом накапливался в больших шлаковых отвалах возле передельных металлургических заводов. В наши дни шлак идет на изготовление заполнителя для бетона, железнодорожного балласта, шлаковаты и противоюзового покрытия автомобильных дорог.