Получение металлов

1 этап – добыча сырья (руды – металлы содержатся в них в виде химических соединений, чаще всего окислов, и смешаны с горными породами: кварцитами, кремнеземами, песчаниками и др., называемыми пустыми породами). Железо в руде (30…60%, содержится в виде Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO, пустая порода в основном SiO₂). Задача: восстановление железа из оксидов и отделение железа от пустой породы – осуществляется в доменных печах.

2 этап – дробление руды, флюсов - CaCO₃ - известняк (предназначены для понижения температуры плавления пустой породы и сплавления ее с золой топлива с образованием шлака).

3 этап – Обогащение руды: промывание водой, электромагнитный способ (частицы пустой породы не притягиваются).

4 этап – Окускование мелких фракций (менее 5..10 мм), применяют связующие: известняк, тонкоизмельченная глина, чаще применяют агломерацию (спекание).

5 этап – Загрузка шихты в доменную печь (топлива: кокс, флюсы обогащенная руда) и выплавка чугуна (рис.).

В доменной печи протекают следующие процессы:

С + О₂ = СО₂

СО₂ + С_кокс = 2СО как образуется СО для восстановления Fe

H₂O_пар + С_кокс = СО + H₂

1. Восстановление железа:

3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂

Fe₃O₄ + СО = 3FeO + СО₂

FeO + СО = Fe + СО₂

FeO + C = Fe + СО

Также происходит восстановление других элементов: марганца, кремния , фосфора за счет углерода кокса, которые переходят в металл.

2. Отделение железа от пустой породы:

CaCO₃ = СаО + СО₂

SiO_{2(пустая порода)} + СаО = СаSiО₃ - шлак

Производство стали

Передел (переработка) чугуна производится в мартеновских печах или конвертерах, в которых удаление углерода, кремния, марганца, фосфора и серы производится их окислением по реакциям:

2С + О₂ = 2СО

2Мn + O₂ = 2MnO

Si + O₂ = SiO₂

2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)₄(P₂O₅) + 5Fe

FeS + CaO = CaS + FeO

Основы теории сплавов. Диаграммы состояния сплавов 1-4 типов. Закон Курнакова

С плавы – вещества, образовавшиеся в результате расплавления и затвердевания расплавов, состоящих из двух и более компонентов.

Сплавы получили широкие распространения, т.к. чистые металлы находят довольно ограниченное применение. Их используют в основном в электротехнике.

Преимущество сплавов – обладание более ценными, чем чистые металлы комплексами механических, физических и технологических свойств.

Различают

О сновной компонент Дополнительный компонент

Fe + C

О сн. комп. Доп. комп.

Cu + Zn - латуни (трубки торм. и топливопод. сис., радиаторы)

Al + Cu - дюралюминий (Cu не более 5%)

Cu + Al - алюминиевая бронза (Al не более 10 %)

Cu + Sn - оловянистая бронза

Кристаллизация металлов

При затвердевании жидкого сплава (кристаллизации) атомы компонентов взаимодействуют друг с другом, образуя различные структуры.

Тигель (сосуд для плавления, варки или нагрева)

Жидкий металл

Зародыши кристаллов (центры кристаллизации)

Зерна (кристаллы)

З ависимость числа центров (ЧЦ) кристаллизации и скорости роста (СР) кристаллов от степени переохлаждения (скорости охлаждения)

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке а, то образуются крупные зерна. При переохлаждении, соответствующем точке в, образуется мелкое зерно, т.к. в этом случае скорость роста кристаллов незначительная, а центров кристаллизации много. Если очень сильно переохладить жидкость (очень быстро охладить) – т.с., то ЧЦ и СР = 0 – жидкость не кристаллизуется. Образуется аморфное тело – металлические стекла (скорость охлаждения не менее 10⁶ К/сек., н-р, для Fe₈₀B₂₀ - _в=3600 МПа, Е/_т=50 – значение, близкое к теоретически максимально возможному). Получение – закалка из расплава на поверхность быстро вращающегося диска; расплющивание капли расплава между охлаждаемыми наковальнями и др. – лента, проволока, гранулы, порошки - недостаток – малая толщина.

Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых ЧЦ и СР.

Отличие механических свойств крупнозернистой структуры и мелкозернистой, например сталь 40: в крупнозернистом состоянии имеет σв=450 МПа, δ=3%;

в мелкозернистом состоянии σв=600 МПа, δ=20%.

Получение мелкозернистой структуры: быстрое охлаждение, введение в жидкий металл искусственных центров кристаллизации (модификаторов), которые могут уже присутствовать в сплаве в виде естественных примесей - нерастворимых примесей (окислы Al2O3, нитриды, сульфиды и т.д.); при этом центрами кристаллизации могут быть только такие твердые частички, которые близки по размерам атомов и сходству кристаллической решетки.

Искусственные модификаторы: 1) являются дополнительными центрами кристаллизации;

2) поверхностно-активные вещества осаждающиеся на поверхности растущих кристаллов, образуя тонкий слой, который препятствует дальнейшему росту этих кристаллов; металл получается мелкозернистый.

Процесс кристаллизации можно выразить в виде кривой время-температура.

Чистые

металлы Сплавы

(

Т

tпл=tкр)

т

1

1

1

.1 – начало кристаллизации

т

2

1

1

1

2

2

2^/

.2(2') – конец кристаллизации

t кр

Д

время

ля чистых металлов tпл = tкр

П ри кристаллизации выделяется скрытая теплота и скорость охлаждения замедляется.

термопара с милливольтметром

секундомер

У сплавов кристаллизация проходит в интервале температуры, т.к. tпл металлов различна.

В сплаве различают:

Компонент

Фаза – простейшая частица сплава, имеющая определенный химический состав, строение и свойства.

Структура составляющая – одинаковый средний химический состав, однообразное расположение и форма кристаллов, образующих ее фазы (например эвтектика). Видимый в металлографический микроскоп элемент структуры (м.б. одно, двух и трехфазной.