Производство чугуна и стали

Получение железа и чугуна. Чистое железо получают восстановлением водородом оксида железа(III) или хлорида железа(II):

Fе₂O₃ + 3 Н₂ = 2 Fe + 3 Н₂О,       FeCl₂ + Н₂ = Fe + 2 HCl.

Основная масса железа используется не в чистом виде, а в виде спла­вов с углеродом и другими добавками. Эти сплавы называются чугуном или сталью. Для получения чугуна и сталей перерабатывают железный руды, содержащие железо в виде оксидов. Сульфидные руды непри­годны для получения железа, так как сера переходит в железо и при­дает ему свойство горячеломкости.

Процесс переработки железных руд делится на первичный и вторичный. При первичной переработке из железной руды получают чугун. С содержанием углерода больше 2%, а при вторичном. из чугуна получают сталь с содержанием углерода меньше 2%.

Первичный процесс, т. е. получение чугунов, производится в доменных печах (домнах).

Доменный процесс заключается в восстановлении железа из его оксидов и удалении серы и фосфора, вызывающих горячеломкость (сера) и холодноломкость (фосфор). Для восстановления железа из оксидов используют кокс. Извлечение серы и фосфора производят оксидом кальция, образующим с серой и оксидами фосфора соли. Этот процесс протекает эффективнее, если реагирующие вещества находятся в расплавленном состоянии Так как оксид кальция имеет очень высокую температуру плавления, используют смесь природ­ного известняка (который при высокой температуре разлагается с об­разованием оксида кальция и углекислого газа) и песка — флюс. Смесь, содержащая оксид кальция, песок и силикат кальция, плавится при более низкой температуре, чем оксид кальция.

Рис. 14.1. Схема доменного процесса

Смесь руды, кокса и флюсов называется шихтой. Ее составляют так, чтобы получилось железо с наименьшим содержанием серы и фос­фора.

Доменная печь — сложное сооружение высотой более 30 м, с внут­ренней обкладкой (футеровкой) из огнеупорного кирпича и стальным внешним кожухом. Конструктивно домна имеет форму двух усечен­ных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть домны на­зывается шахтой, верхнее отверстие — колошником, средняя, самая широкая часть — распаром нижняя — горном. В верхней части горна расположены отверстия для вдувания воздуха — фурмы.

На рис. 14.1. представлена схема доменного процесса. Загрузка домны шихтой производится через колошник слоями: слой руды, слой кокса, слой флюсов. Три таких слоя (руда, кокс, (флюс) носят название калоши. Снизу через фурмы в домну все время вдувается предварительно нагретый воздух (600-800 °C). При продувании воздуха через разогретую массу в доменной печи происходят следующие химические процессы, кислород воздуха реагирует с угле­родом, образуя углекислый газ. Этот процесс сопровождается выделе­нием большого количества теплоты, поэтому в области фурм темпера тура достигает 1800-1900 °С. Углекислый газ реагирует с раскален­ным коксом с образованием монооксида углерода, который восстанавливает железо из его оксидов до свободного металла.

Доменная печь рабо­тает непрерывно в течение 10 лет, после чего останав­ливается на капитальный ремонт.

Одновременно с восста­новлением железа из окси­дов происходит взаимодействие железа с углеродом: образуется карбид железа Fe₃C, который растворяется в чугуне. Часть углерода попадает в чугун в виде графита. Если в чугуне большая часть углерода на­ходится в виде карбида, такой чугун называется бе­лым. Он более твердый, хрупкий и не поддается ме­ханической обработке. Если же большая часть углерода находится в виде графита, то такой чугун называется серым. Он более мягок, ме­нее хрупок и легче поддает­ся механической обработке.

Расплавленный чугун как более тяжелый находится в нижнем слое, а все оксиды, которые не растворяются в расплавленном чугуне и хорошо растворяются в расплавленном силикате кальция, в виде шлака находятся в верхнем слое Чугун и шлак периодически выпус­каются из печи через специальные желоба.

Если в печь подавать воздух, обогащенный кислородом, ее производительность значительно повышается.

В зависимости от содержания кремния, марганца, фосфора, серы и углерода различают три вида чугунов литейные, используемые для отливки чугунных изделий передельные, перерабатываемые в сталь, и специальные, из которых изготовляют конструкционные материалы для машиностроительной и приборостроительной промышленности.

Производство стали. В процессе переработки чугуна в сталь из чугуна удаляется избыток углерода, серы, фосфора, кремния, марган­ца и других элементов. Эти примеси переводят в оксиды, которые либо улетучиваются (СО и CO₂), либо переходят в шлак. Переработка чугунов в сталь осуществляется тремя способами кислородно-конвертер­ным, мартеновским и электрометаллургическим.

При переработке чугунов кислородно-конвертерным способом в конвертер (рис. 14.2) заливают жидкий чугун и через верхнюю трубу 7 называемую фурмой, продувают технический кислород под давлением 4-5 атм. Расплавленный чугун перемешивается, основ­ная масса примесей окисляется. Летучие оксиды (СО, СО₂ и SO₂) уно­сятся газовым потоком, а оксиды металлов и фосфора переходят в шлак. Если в чугуне много фосфора, то шлак делают основным, т. е. с большим содержанием оксида кальция:

Р₂O₅ + 3 CaO = Са₃(РO₄)₂

Если в чугуне много марганца и других металлов, то шлак делают кислотным, т. е. содержащим избыток кремнезема:

MnO + SiO₂ = MnSiO₃

Конвертерный способ отличается высокой производительностью, но этим способом можно получить только сравнительно низкосортную сталь, так как кратковремен­ность процесса не позволяет регулировать состав стали во время плавки

Рис 14.2. Конвертер для вы­плавки стали.

В мартеновском способе используют твердые окислители — оксиды железа со­держащиеся в руде, окалине и скрапе (ме­таллоломе). Мартеновский процесс прово­дят в специальных печах, которые назы­ваются мартеновскими. Мартеновские печи относятся к типу пламенных — они нагре­ваются пламенем, получаемым при сжига­нии горючих газов над поверхностью на­греваемой массы. В печь загружают чугун, руду и скрап в таком соотношении, чтобы кислорода оксидов железа было достаточно для окисления определенного количества примесей. Флюсы подбирают так, чтобы шлак был кислым или основным — в зави­симости от характера выводимых примесей. Процесс плавки длится 5-6 ч. В течение этого времени периодически берут пробы расплавленной стали, определяют ее состав и вносят необходимые компоненты в виде ферросплавов (сплавов же­леза с различными металлами и неметаллами, такими, как никель, марганец, титан, молибден, вольфрам, хром, кремний и др.). Большая длительность плавки позволяет изготовить сталь заданного состава. Применение воздуха, обогащенного кислородом, дает возможность достичь более высокой температуры, что позволяет интенсифицировать процесс плавки и сократить ее время до 4 ч.

Специальные стали варят в электрометаллургических печах, отли­чающихся от пламенных тем, что источником тепла в них является электрический ток. В электрометаллургических печах можно достичь более высокой температуры, поэтому в них варят тугоплавкие стали.

Все стали классифицируются по химическому составу и назначе­нию. По химическому составу стали делятся на углеродистые и специальные (содержащие кроме углерода, серы, фосфора, марганца и крем­ния, имеющихся и в углеродистых сталях, легирующие элементы — никель, хром, ванадий, вольфрам, молибден). Они улучшают свой­ства стали. Так, хром повышает ее твердость, прочность в устойчивость к действию кислот, никель — механическую прочность и вяз­кость, вольфрам — твердость, ванадий — вязкость и упругость. титан — термостойкость, молибден улучшает механические свойства.

По назначению стали делятся на инструментальные, строительные, или конструкционные, применяемые для изготовления машин и аппаратов, и стали специального назначения.

По наличию шлаковых включений и вредных примесей они делятся на высококачественные, качественные и торговые.

Качество стальных изделий можно улучшить термической обработкой, цементацией, азотированием, алитированием и нанесением других антикоррозионных покрытий.

При термической обработке стали используют ее свойство изме­нять структуру с изменением температуры. Если нагретую сталь охлаждать постепенно, то ее кристаллическая структура резко меняется. При структуре, характерной для низкой температуры, сталь отличается низкой твердостью и прочностью. Если же нагретую до высокой температуры сталь охладить резко, то сохранится структура, характерная для высокой температуры. Этот процесс называется термической закалкой. Сталь, подвергнутая такой обработке, очень твердая и прочная. Для каждого сорта стали существуют свои условия термической закалки: скорость нагревания, степень нагрева, скорость охлаждения. Если сталь, прошедшую термическую закалку, снова нагреть до высокой температуры и медленно охладить, то она теряет приобретенные вследствие закалки механические свойства, становится мягкой. Такой процесс называется отпуском стали.

Цементация — процесс получения на поверхности изделия карбида железа, отличающегося высокой твердостью. Такое изделие имеет в середине мягкое железо, а на поверхности — очень твердый карбид. Процесс цементации осуществляют длительным нагреванием изделия в атмосфере монооксида углерода или в ящиках, наполненных дре­весными опилками.

Азотирование — процесс, аналогичный цементации: изделие под­вергают длительному нагреванию в атмосфере аммиака.

Алитирование — процесс покрытия поверхности изделия алюминием.

Глава 7.15. МЕТАЛЛЫ

§ 7.1. Общие свойства металлов

Все элементы периодической системы элементов условно делят на две группы: металлы и неметаллы. К металлам относятся преиму­щественно элементы, на внешнем электронном слое которых имеется один, два или три валентных электрона:

1) все s-элементы, за исключением водорода и гелия;

2) все d- и f-элементы (на внешнем энергетическом уровне они имеют два или один валентный электрон);

3) р-элементы III группы, за исключением бора;

4) некоторые р-элементы IV и V групп, расположенные в VI и VII периодах: олово, свинец, сурьма и висмут (на внешнем уровне они имеют соответственно четыре и пять валентных электронов).

Деление на металлы и неметаллы весьма условно. Так, например, металл германий обладает многими неметаллическими свойствами.

Хром и алюминий — типичные металлы, но образуют соединения, в которых проявляют неметаллические свойства: КАlO₂, КСrО₂, K₂CrO₄, К₂Сr₂О₇. Теллур и иод — типичные неметаллы, но обладают некоторыми свойствами, присущими металлам.

Если в таблице привести диагональ через бор и астат, то в главных подгруппах справа от диагонали окажутся неметаллы, а в главных под­группах слева от диагонали, в побочных подгруппах и VIII группе (исключая инертные газы),— металлы. Из 107 известных в настоящее время элементов 86 являются металлами.

Физические свойства. Все металлы, за исключением ртути, при обычных условиях — твердые вещества. В компактном состоянии они обладают характерным блеском, а в измельченном (порошкообраз­ном) состоянии все металлы, за исключением магния и алюминия, имеют черный или темно-серый цвет.

Металлы делятся на легкие (r < 5 г/см³ ) и тяжелые (r > 5 г/см³ ). К легким металлам относятся литий, натрий, калий, магний, алюминий, а к тяжелым — цинк, медь, железо, олово, свинец, серебро, золото. Самый легкий металл — литий — имеет r = 0,534 г/см³, а самый тяжелый — осмий — 22,5 г/см³.

Металлы обладают хорошей ковкостью, электро- и теплопровод­ностью. Самым ковким и пластичным металлом является золото, из него можно изготовлять листы толщиной 0,003 мм.

Наибольшей электропроводностью обладает серебро, затем идут медь, золото, алюминий.

В узлах кристаллических решеток металлов находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются электроны — так называемый электронный газ. Свободным перемеще­нием электронов объясняется высокая электро- и теплопровод­ность металлов.

Металлы значительно различаются по твердости. Самые мягкие — натрий, калий и индий — можно резать ножом, самый твердый — хром — режет стекло.

Металлы делятся на легкоплавкие и тугоплавкие. Температура плавления легкоплавких металлов равна: цезия 28,5 °С, галлия 29,1, калия 62,3, натрия 97,8, олова 231,85, свинца 327,4 °С.

Температура плавления тугоплавких металлов равна: железа 1539 °С, платины 1773,5, хрома 1903 °С. Наиболее тугоплавкий металл-вольфрам — плавится при 3370 °С.

Металлы делятся на черные (железо, марганец, хром) и цветные (все остальные). Цветные металлы, в свою очередь, по разным призна­кам делятся на подгруппы: тяжелые (например, медь цинк, свинец, ртуть), легкие (например, калий, натрий, магний, алюминий), редкие (например, литий, рубидий, цезий, бериллий, молибден, вольфрам, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал), редкоземельные (скандий, иттрий, лантан и лантаноиды), рассеянные (галлий, индий, таллий, германий, рений), благородные (золото, серебро, платина, палладий, родий, иридий, рутений и осмий) и радиоактивные (радий, торий, уран, актиний и актиноиды).

Химические свойства. Атомы металлов только отдают электроны, образуя положительно заряженные ионы. Поэтому они всегда высту­пают как восстановители.

Атомы металлов отдают электроны атомам неметаллов и ионам других, менее активных, металлов. Реакции металлов с неметаллами протекают с различными скоростями и при различных температурах. Так, щелочные металлы очень легко окисляются кислородом воздуха, тогда как железо или медь энергично окисляется только при нагрева­нии, золото и платиновые металлы вообще не окисляются кислородом. Поверхность многих металлов покрывается пленкой оксидов, которая предохраняет их от дальнейшего окисления.

Способность металла отдавать электроны определяет его актив­ность, чем легче металл отдает электроны, тем он активнее и тем более энергично вступает в химические реакции. По признаку активности все металлы можно расположить в ряд, который называют рядом активности или рядом напряжений. Активность металлов впервые изучил профессор Харьковского университета Н. Н. Бекетов, поэтому ряд напряжений называют также рядом Бекетова. Ряд напряжений имеет приблизительно такой вид (в ряду приведены не все металлы):

... К... Ca... Na... Mg... Al... Zn... Fe... Ni... Sn... Pb... H.... Cu... Hg... Ag... Au...

В ряд напряжений помещен также водород, который, как и металлы, отдает электрон, образуя положительно заряженный ион.

На основании ряда напряжений можно сделать три основных заключения о химической активности металлов:

1) каждый металл вытесняет из солей другие металлы, находящиеся в ряду напряжений правее него, и сам может быть вытеснен металлами, расположенными левее;

2) все металлы, стоящие в ряду левее водорода, вытесняют его из кислот (могут растворяться в кислотах с выделением водорода), а стоящие правее — не вытесняют (в кислотах-неокислителях не растворяются);

3) чем левее в ряду напряжений находится металл, тем он активнее, тем более сильным восстановителем он выступает и тем труднее восстанавливаются его ионы.

При погружении цинковой пластинки в раствор соли меди (цинк стоит в ряду левее меди) цинк окисляется и переходит в раствор, а катионы меди восстанавливаются до свободной меди, которая выделяется на цинковой пластинке. В данном случае атомы цинка — вос­становители, а ионы меди — окислители:

Zn + Сu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Получение металлов. Металлы встречаются в природе в виде оксидов, сульфидов, сульфатов, карбонатов, хлоридов, фосфатов и нитратов. В свободном (самородном) состоянии встречаются только золото, платина и (значительно реже) ртуть, олово а некоторые другие малоактивные металлы. Производство, занимающееся получе­нием металлов, называется металлургическим.

Минералы, содержащие элементы и их соединения я пригодные для получения металлов или неметаллов и их соединений, называются рудами. Содержание некоторых металлов в рудах очень невелико, поэтому эти руды обогащают и получают концентраты, являющиеся сырьем для производства металлов.

Наиболее пригодны для получения металлов их оксиды. Поэтому сульфиды сначала переводят в оксиды путем обжига их в специальных печах. Полученные оксиды восстанавливают при высокой температуре различиями восстановителями, такими, как уголь, кокс, водород или некоторые активные металлы (металлотермия). Этот метод на­зывается пирометаллургическим. Иногда оксид растворяют в кислоте и получают электролит, из которого металл выделяют путем электролиза. Этот метод переработки руды называется гидрометаллургическим.

Металлы, которые хорошо взаимодействуют с водой, расположены слева от водорода в ряду активности, получают электролизом их расплавленных солей.

Применение металлов. В чистом виде металлы применяются редко, значительно чаще используются их сплавы.

Чугун — сплав на основе железа, содержащий более 2% углерода, а также марганец, кремнии, фосфор и другие элементы. Чугун значительно тверже железа. Применяется для изготовления массив­ных деталей различных машин и служит сырьем для получения ста­лей.

Сталь — сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода, хром, марганец, кремний, никель и так называемые легирующие добавки, придающие стали твердость, жаростойкость, химическую устойчивость и другие ценные качества. Сталь является основным материалом в машиностроении и многих других отраслях народного хозяйства.

Латунь — сплав на основе меди, содержащий от 10 до 50% цинка. Латунь широко применяется в моторостроении. Бронза — сплав на основе меди с добавкой (до 20%) олова. Бронза хорошо отливается. Ее используют в машиностроении (подшипники, поршневые кольца, клапаны, различная арматура) и для художественного литья.

Константан — сплав, содержащий около 60% меди, 39-40% никеля и 1-2% марганца.

Мельхиор содержит около 80% меди и около 20% никеля. Нихром — сплав на основе никеля (60%), содержащий 14-18% железа и около 18% хрома. Обладает высоким электрическим сопротивлением, применяется для изготовления нагревательных приборов. Хромель содержит около 90% никеля и около 10% хрома. Алюмель — сплав 95% никеля, 1,8-2,5% алюминия, 1,8-2,2% марганца и 0,85-1,15% кремния. Хромель и алюмель широко применяются для изготовления термоизмерительной аппаратуры.

Баббиты — сплавы, содержащие около 65% свинца, 15-17 % олова, 15-17% сурьмы и около 2% меди. Применяются для изготовления подшипников.

Дюралюминий — сплав на алюминиевой основе, содержащий 3-5% меди, около 1% магния и столько же никеля и марганца, Имеет хорошие механические свойства и применяется в самолето- и машиностроении.

Силумин содержит 86-88% алюминия и 12-14% кремния. Имеет хорошие механические свойства, применяется для изготовления различных деталей. Изделия из него не теряют прочности при температуре до 300 °С.

Для измерительной и сигнальной аппаратуры применяют легко­плавкие сплавы. Сплав, содержащий 36% висмута, 28% свинца, 6% кадмия и 30% ртути, плавится уже при 48 °С.