достоїнство ножів, які за своїм призначенням вимагають чищення після кожного використання». Сьогодні ми сприймаємо як належне те, що посуд зберігає свій блиск і не піддається дії кислот, які містяться в їжі.

Іржостійка сталь не піддається корозії тому, що на її поверхні утворюється плівка хром(III) оксиду. На відміну від іржі, на цей оксид не діє вода, і він міцно зчеплений з металевою поверхнею. Маючи товщину всього кілька нанометрів, оксидна плівка невидима для неозброєного ока й не приховує природний блиск металу. При цьому вона непроникна для повітря та води й захищає метал. Більше того, якщо зішкребти поверхневу плівку, вона швидко відновиться.

На жаль, іржостійка сталь дорога, і ми змушені зважати на це при виборі сталі для використовування. У сучасній техніці найчастіше використовують іржостійку сталь такого складу: 74% заліза, 18% хрому, 8% нікелю.

Оскільки використання іржостійкої сталі не завжди економічно виправдане, як і використання захисних шарів змазок та фарб, то сьогодні досить часто використовують покриття залізних виробів тонким шаром цинку (оцинковане залізо) або олова (луджене залізо). Останнє дуже часто використовують при виготовленні консервів.

Метод захисту консервів покриттям внутрішньої металевої поверхні оловом запропонував англієць Пітер Дюранд. Із таким захистом консерви впродовж тривалого часу залишаються придатними для їжі. На жаль, виробництво продуктових консервів та напоїв не позбавлене труднощів. Різні продукти створюють усередині банки різне середовище, яке по-різному діє на метал і може спричинити корозію.

На початку ХХ століття стали випускати баночне пиво. Однак новий продукт не мав блискавичного успіху, і причиною цього було те, що банки кородували зсередини. Тонкий шар олова, що ним покривали банки, дуже рідко виходив суцільним. Найчастіше він мав незначні вади. У водному розчині залізо окиснюється швидше, ніж олово (через більш високу активність). Йони Феруму Fe2+ розчинялися в пиві (яке загалом є непоганим засобом від анемії) і надавали напою присмаку металу, а крім того, зменшували його прозорість. Це знижувало популярність баночного пива. Утім, виробникам вдалося подолати цю проблему після того, як вони стали покривати внутрішність банок спеціальним інертним органічним лаком.

У банках з консервованими фруктами є органічні кислоти, наприклад лимонна кислота. У розчині ці кислоти сприяють зв’язуванню йонів Стануму Sn2+ і тим самим збільшують швидкість розчинення олов’яного покриття, тому в консервованих фруктах (персиках тощо) переважно

кородує олово. Йони Стануму, які потрапляють у такий спосіб у їжу, нетоксичні. Вони не змінюють суттєво смакові якості консервованих фруктів, хіба що надають їм гоструватого присмаку. Однак якщо таку банку зберігати занадто довго, можуть виникнути проблеми. Тонкий шар олова, який окиснюється, зрештою зруйнується й під впливом органічних кислот почне досить швидко кородувати залізний шар.

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

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

Ще 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 (SiО2), Мангану (MnО2), Алюмінію (Аl2О3), Фосфору (Ca3 (PO4 )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.

1­ша група реакцій.

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

C +O2 → CO2 ;

CO2 +C →2CO;

2CH4 +3O2 →2CO +4H2O.

2­га група реакцій.

Відновлення ферум(III) оксиду карбон(II) оксидом протікає трьома послідовними стадіями:

Fe3O4 +CO →3FeO +CO2 ;

FeO +CO → Fe +CO2 .

3­тя група реакцій.

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

SiO2 +2CO → Si +2CO2;

MnO2 +2CO → Mn +2CO2;

Ca3 (PO4 )2 +5CO = 2P +5CO2 +3CaO.

Частина Сульфуру з природних сполук переходить у чавун у вигляді сполуки FeS, а частина — в сірчистий газ SO2, який виходить із доменної печі в суміші з іншими газами, а потім уловлюється.

4­та група реакцій.

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

3Fe +C = Fe3C,

3Fe +2CO = Fe3C +CO2.

5­та група реакцій.

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

SiО2 та Аl2О3.

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.

відмінності між чавуном і сталлю. способи виробництва сталі

склад чавуну

Масова частка елементів у чавуні: Карбону — до 4,5%, Фосфору — до 2,5%, Сульфуру — до 0,8%. Від вмісту того чи іншого елемента та домішок залежать властивості чавуну й поділ його на сорти. Розрізняють чавун білий і сірий. Якщо Карбон у чавуні перебуває у вигляді графіту, то

такий чавун називають сірим, або ливарним. Його використовують для виготовлення відливків (великих деталей машин, маховиків, плит), які не піддаються ударам та механічній обробці. Білий чавун (на зламі він має світло-сірий колір) містить Карбон у вигляді ферум карбіду Fе3С. Такий чавун називають переробним, його використовують для переробки в сталь.

склад сталі

Сталь — це сплав заліза з вуглецем, масова частка вуглецю в якому не перевищує 4,0%. Сталь із найбільшим вмістом вуглецю 4,0 % називають твердою. Її використовують для виготовлення інструментів. Сталь із мінімальним вмістом вуглецю (до 0,3 %) називають м’якою

йковкою. Сталь містить також деякі технологічні домішки, які можуть бути як корисними, так і шкідливими. До корисних домішок відносять марганець і кремній, вони мають входити до сталі будь-яких марок (марганцю від 0,3 до 0,9%, кремнію від 0,2 до 0,5 %). Якщо в процесі переробки чавуну в сталь ці елементи переходять у шлак, їх спеціально додають наприкінці плавки. Марганець зменшує червоноламкість сталі, тобто ламкість при обробці нагрітої сталі, а кремній запобігає утворенню пористості у відливках, що може бути спричинене наявністю пухирців карбон(II) оксиду. Добавки кремнію

ймарганцю роблять сталь більш якісною (легованою), тобто більш зносостійкою, жароміцною тощо. До корисних легувальних добавок, які спеціально додають у сталь, відносять також хром, нікель, вольфрам, молібден, ванадій, титан, алюміній.

При виплавці сталі з чавуну до її складу переходять шкідливі домішки: Сульфур, Фосфор, Арсен, Стибій, Плюмбум, Цинк, Станум. Окрім того, у процесі плавки в сталь потрапляють Оксиген, Нітроген, Гідроген. Ці газуваті речовини в рідкій сталі реагують між собою або з легувальними добавками (алюмінієм, кремнієм, марганцем) і утворюють крихкі хімічні сполуки (оксиди, сульфіди, нітриди), що знижують якість відливків. Найбільше якість сталі знижують такі домішки, як Сульфур та Фосфор. Сульфур, а точніше ферум(ІІ) сульфід, надає сталі ламкості при гарячій обробці (червоноламкість), а Фосфор (фосфор(V) оксид і фосфіди) надає холодноламкості. Частину домішок (Сульфур й Фосфор) можна видалити в процесі плавки сталі, якщо до неї додати флюси. Деякі небажані домішки (Стибій, Плюмбум, Станум, Цинк) видалити зі сталі неможливо. Такі небажані домішки, як водень, кисень, азот видаляють із рідкої сталі тільки після її виплавки за допомогою вакуумування або продувки аргоном.

хімічні реакції, які перебувають в основі переробки чавуну в сталь

1­ша група реакцій. При виплавці чавуну протікають реакції відновлення Феруму, а при переробці чавуну в сталь — реакції окиснення домішок. Подібно до того як у доменному процесі протікали небажані процеси відновлення домішок, так і при виплавці сталі відбувається небажана реакція — окиснення Феруму. Слід зазначити, що атмосфера в сталеплавильних печах є окисною. У ній міститься повітря, кисень та пари води. Саме вони й спричинюють окиснення Феруму, перетворення його в ферум(II) оксид, що можна зобразити рівнянням

2Fe + O2 = 2FeO + Q.

Доведено, що при виплавці сталі ніякий інший ферум оксид не утворюється. Більше того, якщо в сталеплавильну піч помістити оксиди Fе3O4 або Fе2О3, що містяться в залізній руді або в іржі металобрухту, то вони реагують із залізом як окисники, утворюючи все той же ферум(II) оксид:

Fe + Fe3O4 = 4FeO.

2­га група реакцій. Окиснення домішок (кремнію, марганцю, фосфору) ферум(II) оксидом протікає за типом заміщення. Утворювані оксиди, крім CO, являють собою пористі тверді речовини й тому поступово спливають на поверхню сталі. Окиснення вуглецю спричинює в розплаві ефект кипіння, що викликане виділенням пухирців газу карбон(II) оксиду. Їхній рух відіграє позитивну роль, оскільки сприяє перемішуванню металу, очищенню від шлаку, що утворився в ньому, а також від пухирців азоту й водню.

3­тя група реакцій. До неї входять процеси усунення сполук Сульфуру й Фосфору негашеним вапном СаО. Для більш повного зв’язування зазначених домішок вапно використовують не тільки для футерування внутрішніх поверхонь печей, але й як добавки до сталі. Кальцій оксид при цьому вступає в такі реакції:

3CaO + P2O5 = Ca3 (PO4 )2,

CaO + FeS = CaS + FeO.

Сульфід і фосфат Кальцію утворюють шлак, що спливає на поверхню сталі, а ферум оксид FeО залишається в розплаві сталі. Його усувають тоді, коли кількість вуглецю зменшиться до необхідного значення. Процес усунення оксиду FeО називають розкисленням сталі. Цього досягають додаванням у розплав таких відновників, надлишок яких не знизить якості сталі. До розкислювачів відносять сплави заліза з марганцем або кремнієм, а також алюміній.

способи виробництва сталі

Сьогодні плавку сталі здійснюють різними способами в печах різної конструкції. Це залежить від того, яким критеріям має відповідати виплавлювана сталь, які шихтові матеріали використовуються та за допомогою якого методу створюють тепло, необхідне для плавки. Найбільш перспективний із сучасних способів — конвертерний. Основні технологічні особливості киснево-конвертерного способу виробництва сталі полягають у використанні як сировини рідкого чавуну. Перевагою цього способу є те, що процес здійснюється досить швидко, а собівартість добутої сталі відносно низька. Тим часом недоліками конвертерного процесу вважають періодичність та невисоку якість сталі. Застосування кисневого дуття дозволяє інтенсифікувати процес, скоротити час плавки до 20 хв, добути високоякісну м’яку сталь, яка характеризується значною чистотою.

При мартенівському способі переробки чавуну в сталь можливе використання як вихідного матеріалу твердого чавуну, металобрухту, залізної руди, що одночасно виконує роль окисника, а як паливо застосовують газ. Найважливішою перевагою мартенівського способу переробки чавуну є можливість добування якісної сталі. З 1970 року будівництво мартенівських печей зупинено, тому що вони громіздкі

йне пристосовані до роботи з перервами. Щоб мартенівська піч не охолонула, навіть у період випуску сталі не припиняють спалювати паливо. У цих печах важко добути високоякісні леговані сорти сталі, оскільки атмосфера печі

йшлаки є окисними.

Високоякісні сорти сталі добувають електротермічним (або електродуговим) способом, на сьогоднішній день це найпоширеніший спосіб. Джерелом тепла в даному процесі є електрична дуга, яка виникає між графітними (вугільними) електродами. Температура дуги сягає +3000—4000 °С, унаслідок чого відбувається швидкий розігрів сировини й плавлення металу. Атмосфера в печі відновна, оскільки згорання електродів призводить до утворення карбон(II) оксиду. У шлаку так само міститься невелика кількість оксидів Феруму, що дозволяє здійснювати легування сталі з незначною втратою добавок. Однак електродуговим способом не можна добути сорти сталі, в яких вуглецю міститься менше 0,1 %, оскільки частина вуглецю обов’язково переходить у сталь при згоранні електродів.