Никель – в руде много примесей: сульфиды никеля, меди и железа. Половина получаемого никеля расходуется в производстве стали для повышения ее коррозионной стойкости и твердости. Он используется также для создания прочных покрытий на стальных изделиях.
Железо занимает второе место после алюминия по распространенности в земной коре (~4 %). Содержится в виде соединений (оксиды, сульфиды и силикаты).
Руды, из которых получают железо – магнитный, красный, бурый и шпатовый железняки, реже – железный колчедан или пирит. Последний используют для получения серной кислоты.
Физические свойства. Температура плавления – 1539±5 °C. У железа существуют 2 кристаллические модификации: ?-железо ?-железо. Является пластичным металлом серебристого цвета. Хорошо поддается механической обработке. От чистоты железа зависят его механические свойства, а оно в твердой фазе способно растворять в себе элементы. Твердый раствор углерода в ?-железе – феррит, в ?-железе – аустенит. Такому раствору отвечает соединение цементит или карбид железа – вещество со сложной кристаллической структурой, большой твердостью и хрупкостью, имеет температуру плавления 1600 °C. Свойства таких растворов зависят от содержания в них углерода. Но, несмотря на концентрацию углерода, феррит и аустенит имеют меньшую твердость и пластичность, чем цементит.
Получение. Железо без примесей можно получить при восстановлении оксида железа (III) водородом при повышенной температуре. Сейчас существует немало методов, позволяющих получить железо, содержащее 10-6% примесей, но в практических целях используется железо в виде сплавов.
Черная металлургия занимается производством сплавов железа – чугунов и сталей, перерабатывающая – железных руд и сплавов. Обрабатывая руду, в первую очередь получают чугун, из которого потом получают сталь.
Стали – железоуглеродные сплавы, содержащие меньше 2,14 % углерода.
Чугуны – железоуглеродные сплавы, содержащие больше 2,14 % углерода.
Для того, чтобы получить чугун, используют руды, содержащие серу (гематит, магнетит, сидерит). Для доменных процессов не используют руду с малым содержанием серы (0,3 %), так как сера, переходя в железо, делает его ломким и хрупким.
Получаемый чугун содержит 93 % Fe, 7 % составляют C, Si, P и газовые включения (азот, кислород и др.). Для удаления примесей проводят обжиг в отражательных печах. Добавление определенных металлов придает сплаву твердость, вязкость, механическую прочность и другие физические свойства, необходимые для сталей. Затем полученный сплав подвергают операциям отжига и закалки для создания хорошей кристаллической структуры и распределения фаз.
Полученный чугун используют для:
1) переплавки в сталь в конвертерах, мартеновских или электрических дуговых печах;
2) литейный чугун используется в машиностроении для чугунного литья.
Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и щелочах. FeO соответствует основание Fe(OH)2.
Получение. Оксид железа (II) можно получить неполным восстановлением магнитного железняка оксидом углерода (II):
Химические свойства. Является основным оксидом. Реагируя с кислотами, образует соли:
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – кристаллическое вещество белого цвета.
Получение. Гидроксид железа (II) получается из солей двухвалентного железапри действии растворов щелочей:
Химические свойства. Основный гидроксид. Вступает в реакции с кислотами:
На воздухе Fe(OH)2 окисляется до Fе(ОН)3:
Оксид железа(III) Fe2O3 – вещество бурого цвета, встречается в природе в виде красного железняка, нерастворим в воде.
Получение. При обжиге пирита:
Химические свойства. Проявляет слабые амфотерные свойства. При взаимодействии со щелочами образует соли:
Гидроксид железа (III) Fe(OH)3 – вещество красно-бурого цвета, нерастворимое в воде и избытке щелочи.
Получение. Получают путем окисления оксида железа (III) и гидроксида железа (II).
Химические свойства. Является амфотерным соединением (с преобладанием основных свойств). Выпадает в осадок при действии щелочей на соли трехвалентного железа:
Соли двухвалентного железа получают взаимодействием металлического железа с соответствующими кислотами. Они сильно гидро-лизуются, потому их водные растворы – энергичные восстановители:
При нагревании выше 480 °C разлагается, образуя оксиды:
При действии щелочей на сульфат железа (II) образуется гидроксид железа (II):
Образует кристаллогидрат – FeSO4?7Н2О (железный купорос). Хлорид железа (III) FeCl3 – кристаллическое вещество темно-коричневого цвета.
Химические свойства. Растворим в воде. FeCl3 проявляет окислительные свойства.
Восстановители – магний, цинк, сероводород, окисляются без нагревания.
Доменный процесс – выплавка чугуна в доменной печи. Доменная печь выкладывается огнеупорными кирпичами высотой 30 м и внутренним диаметром 12 м. Верхняя половина – шихта оканчивается колошником, закрывающимся колошниковым затвором. Самую широкую часть печи называют распаром, а нижнюю – горном. Через фурмы (отверстия в горне) вдувают горячий воздух или кислород в печь. В доменную печь загружают слоями кокс и агломерат (сначала кокс).
Агломерат – руда, спеченная с флюсом. С помощью вдуваемого воздуха или кислорода поддерживается постоянная температура, необходимая для выплавки чугуна. В горне происходит сгорание угля и образование углекислого газа. Он поднимается наверх, проходит слои кокса и превращается в оксид углерода (II), который восстанавливает основную часть руды, окисляясь обратно в углекислый газ. В верхней части доменной печи и проходит процесс восстановления руды:
В руде также присутствует пустая порода – песок или диоксид кремния, являющийся тугоплавким соединением. Чтобы тугоплавкое вещество превратить в легкоплавкое, в руду добавляют флюсы (например, CaCO3). При взаимодействии с которыми тугоплавкое соединение образует легкоотделимый шлак.
Образовавшееся твердое железо спускается вниз, попадает в более горячую часть печи – распар, растворяя при этом в себе углерод. Таким образом, образуется чугун, который расплавляется и стекает в нижнюю часть печи, а шлаки остаются на его поверхности. Через некоторое время чугун и шлаки выпускают через специальные отверстия печи. При этом из отверстия выходят газы, содержащие ~25 % оксида углерода, их сжигают в кауперах (камерах, предназначенных для нагревания вдуваемых газов).
Доменная печь работает без перерывов. По мере опускания слоев кокса и агломерата в нее добавляют новые через верх печи и загружают в чугунную воронку.
С помощью вдувания в печь кислорода можно ускорить выплавку чугуна, при этом предварительный нагрев становиться ненужным. В результате чего отпадает необходимость в кауперах, а также вместе с этим повышается производительность печи и уменьшение расхода топлива. Печь продуваемая кислородом дает в 1,5 раза больше металла и на 25 % сокращает расход кокса, чем продуваемая воздухом. В большой доменной печи каждую минуту происходит выплавка 2,5 тонн чугуна. Переработка чугуна в сталь происходит при окислении содержащегося в чугуне углерода и примесей и отделении получающихся оксидов в газовую фазу или шлак. Основная масса чугуна перерабатывается в сталь при мартеновском процессе.
Сплавы железа – металлические системы, основным компонентом которых является железо.
Классификация сплавов железа:
1) сплавы железа с углеродом (нелегированные и легированные чугуны и стали);
2) сплавы с особыми физико-химическими свойствами;
3) ферросплавы.
Чугуны. Содержат более 2 % углерода. Его содержание в чугуне обусловлено химическими процессами, происходящими в доменной печи при выплавке. По назначению доменные чугуны разделяют на передельные и литейные. Передельные чугуны переплавляют на сталь. Литейные чугуны применяют в машиностроении для изготовления чугунного литья.
По степени графитизации литейные чугу-ны делят на белый, половинчатый, серый.
По форме включений графита: чугун с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным (изогнутые пластинки) и хлопьевидным графитом.
В зависимости от характера металлической основы выделяют перлитный, феррит-ный и ферритно-перлитный.
