Головна ⇒ 📌Довідник з хімії ⇒ Сплави. Доменне виробництво чавуну – ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛІВ

Сплави. Доменне виробництво чавуну – ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛІВ

Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
Комплексне видання

ЧАСТИНА І

ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛІВ

Сплави. Доменне виробництво чавуну

Поняття про сплави

Використання чистих металів не завжди є вигідним. До того ж, не завжди можна знайти метал, який повністю відповідає необхідним вимогам. У такому разі використовують суміші металів, які називають сплавами.

Сплав – це суміш металу з одним або кількома компонентами. Компоненти змішують при плавці; при застиганні матеріалу утворюється однорідний твердий

матеріал. Через присутність інших хімічних елементів у складі сплавів властивості металів змінюються, і часто новий матеріал стає більш міцним.

Наприклад, латунь – сплав міді й цинку – міцніша, ніж чисті мідь та цинк. Інший приклад – дюралюміній – сплав алюмінію й міді з невеликою кількістю магнію, заліза та кремнію. Цей матеріал використовують у літакобудуванні.

У чистих металах завдяки металічному зв’язку окремі шари в кристалах металів можуть зсуватися відносно один одного. Це надає металам пластичності – здатності змінювати свою форму без розриву хімічних зв’язків. Оскільки різні

метали мають подібні металічні зв’язки, а в ряді випадків утворюють подібні металічні кристали, то багато з них при переході в розплавлений стан можуть змішуватися один з одним, утворюючи сплави. Сплавам притаманні більш різноманітні властивості порівняно з металами, тому в промисловості рідко використовують чисті метали. У більшості випадків для виготовлення деталей різних машин і приладів застосовують сплави. Так, мідь, олово й цинк – м’які метали, тимчасом як сплав на їхній основі – бронза – дуже твердий, тому люди здавна використовували бронзу для виготовлення зброї, плугів та інших виробів, де потрібна підвищена твердість. Сплав олова зі свинцем (третник) застосовують при паянні, тому що він має порівняно низьку температуру плавлення.

Сьогодні існує величезна кількість різних сплавів. У таблиці наведено найпоширеніші з них.

Склад деяких сплавів

Назваp>	Склад, %
Алюмель	Мn – 2, Аl – 2, Si – 1, Fe – 0,5, решта Ni
Бронза алюмінієва	Al – 4,5-5,5, решта Cu
Бронза берилієва	Be – 2,0-2,5, решта Cu
Бронза кремнієва	Cu – 96-98, Si – 2-3,5
Бронза олов’яна	Cu – 89-91, Sn – 9-11
Бронза фосфорна	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, решта Cu
Хромиста іржостійка сталь	Cr – 13-30, C до 2, решта Fe
Манганін	Cu – 85, Mn – 11-13, Ni – 2,5-3,5
Мельхіор	Ni – 18-20, решта Cu
Нейзильбер	Ni – 15, Zn – 20, Cu – 65
Ніхром	Ni – 64-71, Cr – 14-16, Fe – 14-17, Mn – 1 – 1,8
Припій свинцево-олов’яний	Sn – 14-90, решта Pb
Сплав для дробу	Sb – 0,5-1,5, решта Pb
Сталь	C до 2, добавки Si, S, P, O, N до 1, решта Fe
Твердий сплав “победит”	Co – 10, WC – 90
Типографський сплав	Pb – 75, Sb – 20-24, Sn – 1,8-4,3, Cu – 1
Хромель	Cr -9,5, Fe -0,3, решта Ni
Чавун	C – 2-5, Fe – 95-98

Чавун і сталь

Найпоширеніші сплави – це чавун і сталь. Обидва ці сплави є сплавами на основі заліза. Головна відмінність між ними – це вміст вуглецю. Якщо вміст вуглецю перевищує 4 %, то такий сплав називають чавуном. Якщо ж вміст вуглецю менший 4 %, то такий сплав називають сталлю. Вміст вуглецю в цих сплавах посутньо впливає на їхні фізичні властивості. Якщо чавун є твердим і крихким, то, на відміну від нього, сталь являє собою більш м’який і пластичний сплав. Окрім того, до складу сталі додають ще деякі інші метали задля добування сталі з необхідними характеристиками. Так, додавання до сталі марганцю підвищує її зносостійкість, що дозволяє використовувати її для виготовлення залізничних рейок. А додавання хрому збільшує стійкість до корозії; таку сталь називають іржостійкою.

Відповідно, вміст у цих сплавах певних добавок визначає галузь їхнього застосування в народному господарстві.

Виробництво чавуну

Іще в прадавні часи, кілька тисячоліть тому, металурги вміли добувати безпосередньо з руди (ферум оксиду) м’який сорт сталі. Для цього в невеликих печах (горнах) укладали шарами залізну руду й деревне вугілля. Температуру, необхідну для перетворення руди в метал (відновлення заліза), отримували за допомогою дуття. Наприкінці процесу, що тривав кілька годин, виходив метал у твердому стані, у вигляді губчастої маси. Його витягували з горнів і кували. У XVIII ст. почалася промислова революція. Під впливом зростаючого попиту на метал почали будувати більш об’ємні горни й застосовувати більш інтенсивне дуття. Зміна технології призвела до небажаних результатів: у горнах, окрім твердої сталі, виходив побічний продукт – рідкий чавун. На відміну від сталі, він нековкий і непридатний для застосування. Пізніше був розроблений відносно простий спосіб переробки чавуну в сталь: через рідкий чавун продували повітря. При цьому вуглець вигорав, і сплав набував пластичності. З відкриттям способу переробки чавуну в сталь почали будувати більші печі й усю руду перетворювати в чавун.

Як сировину для виробництва чавуну використовують залізну руду, що складається з оксидів Феруму, найчастіше Fe2O3. Вона містить також порожню породу, до складу якої входять сполуки Силіцію (SiO2), Мангану (МnO2), Алюмінію (Аl2O3), Фосфору (Са3(РO4)2), Сульфуру (FeS2, CaSO4) та ін.

Перед плавкою руду збагачують – видаляють із неї певну частину порожньої породи, потім подрібнюють великі шматки руди до необхідних (оптимальних) розмірів, а пилувату руду спікають із вугіллям – піддають агломерації.

У доменній печі протікає величезна кількість реакцій, які поділяють на кілька груп.

1-ша група реакцій.

Горіння коксу й утворення відновника – карбон(ІІ) оксиду. Сьогодні в домни, окрім повітря, надходить природний газ, який інтенсифікує процес плавки й дозволяє зменшувати витрату дорогого коксу:

2-га група реакцій.

Відновлення ферум(ІІІ) оксиду карбон(ІІ) оксидом протікає трьома послідовними стадіями:

3-тя група реакцій.

Відновлення домішок. Завдяки цій групі ре акцій багато елементів порожньої породи переходять у чавун:

Частина Сульфуру з природних сполук переходить у чавун у вигляді сполуки FeS, а частина – в сірчистий газ SО2, який виходить із доменної печі в суміші з іншими газами, а потім уловлюється.

4-та група реакцій.

Утворення чавуну найчастіше описують за допомогою рівняння реакції між залізом та коксом, а також між залізом та чадним газом:

5-та група реакцій.

Утворення шлаку відбувається в такий спосіб. Флюси під впливом високих температур розкладаються з утворенням реакційно-здатних основних оксидів СаО та MgO. Вони реагують із тими компонентами порожньої породи, які мають кислотні або амфотерні властивості, наприклад із SiО2 та Аl2O3.

Утворювані в процесі плавки силікати, алюмосилікати, алюмінати, деякі сульфіди утворюють побічний продукт доменного виробництва – шлак. Він відзначається невеликою густиною й тому накопичується на поверхні чавуну, запобігаючи його окисненню.