Неорганическая химия. Т. 3, кн. 2. Под ред. Ю.Д. Третьякова (975566), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Верхняя часть доменной печи называется шахтой, нижняя часть — горном, верхнее отверстие, служащее для загрузки шихты, — колошником (рис. 6.6, а). Снизу в печь подают горячий воздух, обогащенный кислородом. В верхней части горна происходит сгорание угля с образованием углекислого газа. Выделяющейся при этом теплоты оказывается достаточно для протекания процесса.
Углекислый газ, проходя через слои кокса, восстанавливается до оксида углерода(П), который, реагируя с железной рудой, восстанавливает ее до металла. Для удаления содержащихся в руле примесей, например кварцевого песка ЯО,, в печь добавляют флюсы — известняк или доломит, которые разлагаются до оксидов СаО, МяО, связывающих примеси в легкоплавкие шлаки (СаЯО,, МйЯО,). Помимо железа кокс восстанавливает и примеси, содержащиеся в руде, например фосфор, серу, марганец, частично — кремний: Саз(РОД, + 5С = 3СаО + 5СО + 2Р СабО4+ 4С = Саб + 4СО МпО+ С = Мп+ СО ЯО, + 2С= Я ь2СО В расплавленном метатле сера присутствуе~ в виде сульфида ГеЯ фосфор— фосфида ГезР, кремний — силицида ЯС, а избыточный углерод — карбида ЕезС (цементита). Выходящие из домны газы называют доменными, или колошниковыми.
Примерно на одну треть по объему они состоят из угарного газа, поэтому. их используют как топливо для подогрева воздуха, поступающего в доменную печь. Теоретической границей между чугунами и сталями служит точка Е (см. рис. 6.5, а), соответствующая максимальному насыщению аустенита углеродом. При большем содержании углерода появляется энте ктика, т.е.
образуется белый чугун. Таким образом, углерод в стали находится только в виде твердого раствора. Сталь тверже железа, труднее гне~ся, более упруга, легче ломается, хотя и не так хрупка, как чугун. Чем выше содержание углерода, тем она тверже. В обычных сортах стали допускается присутствие не более 0,05% серы и 0,08% фосфора.
Даже незначительная примесь серы делает сталь хрупкой при нагревании; в металлургии это свойство стали называю~ красноломкостью. Содержание в стали фосфора вызывает хладоломкосгь — хрупкость при низких температурах. Закаленная сталь образуется при резком охлаждении стали, нагретой до температуры красного каления. Такая сталь обладает высокой твердостью, но хрупка. Из закаленной стали из~отваливаю~ режущий инструмент.
При медленном охлаждении получается отпущенная сталь — она мягкая и пластичная. Пегированиезг — введением в расплав легирующих добавок; хрома, марганца, ванадия и других металлов — получают специальные сорта стали. Сталь, содержащая более 13% хрома, утрачивает способность корродировать на воздухе, становится нержавеющей. Особо прочные стали, содержащие ванадий, используют для отливки брони. 20 ырья (Еезоз+ С т СаСО,) олошниковые газы ЗЕе Озтсо=2Еез04+СО, С т СОз ее 2СО Есзох+ СО = 3Еео+ Соз ЕеотСО= Ее(тв.)+ Сот СаСОз = Сао г Сот 'С. — — -- .— — — —;.— — —.
Сао г ЕВОз — х СабйОз Ее(тв.) х Ее(ж.) Загрязггенис расплава фосфидами и сульфидами 1800 С вЂ” — — — — -- — — — — —— СозтС ьы 2СО 4 3 1600 С Шлак С От=СО, Чугун Рис. б.б. Чугун: и — схема доменной печи для выплавки чугуна (1 — горн; 2 — фурмы (отверстия для вдувания воздуха); 3 — заплечики; 4— распар; 5 — шахта; 6 — кояошник); б— белый чугун под микроскопом (белое поле соответствует цементиту; темныс зерна— перлит и избыточный вторичный цементит, образующиеся прн распаде аустенита; увсяичсно я 1000 раз) 2! Сырьем для производства стали служит чугун.
Суть происходящих при выплавке процессов заключается в удалении из сплава излишнего количества углерода. Для этого через расплавленный чугун пропускают кислород, который окисляст углерод, содержащийся в чугуне в виде графита или цементита, до угарного газа. Однако при этом часть железа также окисляется кислородом до оксида ЕеО. Для обратного его восстановления до железа в расплав вводят раскисаители. Как правило, это активные металлы: марганец, барий, кальций, лантан.
Они восстанавливают окислившееся железо до металла, а затем отделяются от расплава, всплывая на его поверхность в виде легкоплавких шлаков, взаимодействуя либо с фугеровкой печи, либо со специально добавленными флюсами: Мпо+ э)О, = Мпб)оз. Выплавку стали проводят в специальных печах. В зависимости от типа печей различают несколько способов сталеплавильного производства. В мартеновской печи плавильное пространство представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича (рис. 6.7, а).
В верхнюю часть печи впрыскивают топливо, которым служит природный газ или мазут. Теплота, выделяющаяся при горении топлива, нагревает шихту и вызывает ее плавление. За 6 — 8 ч, в течение которых расплавленный чугун находится в мартеновской печи, в нем постепенно выгорает углерод. После этого расплавленную сталь выливают и через некоторое время вновь загружают чугун. Мартеновский процесс является периодическим. Главное его преимущество заключается в том, что получаемую стачь можно разливать в крупные формы, По производительности мартеновский процесс уступает кислородно-конвертерному, который проводят не в крупных печах, а в небольших конвертерах — аппаратах грушевидной формы, сваренных из стали и выложенных изнутри огнеупорным кирпичом.
Сверху через конвертер, укрепленный на горизонтальной оси, продувают воздух, обогащенный кислородом, Образукнпиеся оксиды марганца и железа реагируют с силикатной Топлив (мвзут) талл Рис. 6.7. Сталелитейное производство: и — мартеновская печь (1 — окна для загрузки шихты; 2 — свод печи; 3 — под печи); Г>— кислоролиый конвертер (! — кожух с огнеупорной футеровкой; 2 — труба для подачи кислорода; 3 — го~ювиив; 4 — папфы, нв которых вращается конвертер) 22 футеровкой конвертера, образуя шлаки.
Процесс длится около 40 мин, после чего конвертер переводят в наклонное положение и последовательно выливают распланленную сталь и шлаки (рис. 6.7, б). Конвертеры с футеровкой из силикатного кирпича, называемые бессемеровскими (по имени английского изобретателя Г.Бессемера), не пригодны для выплавки стали из чугунов, содержащих фосфиды железа. Для передела чугунов, богатых фосфором, используют томасовские конвертеры, которые изнутри выложены известняком или доломитом. Выпланку стали проводят в присутствии извести, которая связывает содержащийся в чугуне фосфор в фосфаты, образующие шлак (томасовский шлак), который используют в качестве удобрения.
Легированные стали выплавляют в электропечах при температуре выше 3000'С. Это позволяет получать стали с особыми свойствами, в том числе сверхпрочные и тугоплавкие. Сплавы с эффектом памяти формы Эффекоюм ламягли формы называют свойство некоторых материалов, поднергшихся пластической деформации, восстанавливать свою исходную форму при нагревании. Пластичные материалы при уларе или нагрузке подвергаются необратимой деформации, т.е. изменяют форму. Такие воздействия не приводят к искажению элементарной ячейки и изменению симметрии кристаллов.
Материал, подвергшийся сдвигу, не отличается от исходного, и после снятия нагрузки накопленная деформация сохраняется. Это означает, что сдвиг не порождает сил, стремяшихся к восстановлению исходной формы. Однако изнестны материалы, пластическая деформация которых обратима при изменении температуры, В этих веществах при определенной температуре происходит марглеисиглиое превращение — фазоный переход, сопровождающийся изменением структуры вследствие направленного сдвига атомов.
Скорость мартенситных превращений огромна — она сравнима со скоростью распространения звука н тнердом веществе, Низкотемпературную модификацию принято называть мартенсигиом, а высокотемпературную — аусгяеиитом. Лустенит обычно имеет более высокую симметрию кристаллон, мартенсит склонен к механическому двойникованию.
Температура мартенситных превращений определяется химическим составом, условиями термической и механической обработки материалов. Например, для никелида титана КВТ( (рис. 6.8, а) температура мартенситных превращений изменяется в интервале 30 — 80'С; введение в него нсего 3% железа понижаег ее до -170 "С, а легирование благородными металлами повышает до 800'С и более. Как реально протекают мартенситные превращения (рис.
6.8, б)? При охлаждении из состояния аустенита при некоторой характеристической температуре появляются первые кристаллы мартенсита. При дальнейшем охлаждении их размеры и количество растут, пока кристаллы не заполнят весь объем. Возникновение каждого кристаллика наной мартенситной фазы сопровождается изменением параметров ячейки в результате незначительного смешения положения атомов.
Это приводит к сдвиговой деформации, которая может быть направлена в 23 с/а 0,245 0,240 0,235 0,230 Э)ч От 0,225 0,220 т,к 180 210 б Рис. 6.8. Кристаллическая структура никелида титана (и); мартенситный переход: изменение отношения параметров ячейки с/и при охлаждении и нагревании (б); ложка, выполненная из никелида титана (в): согнутая (1) ложка, помещенная в горячую воду, распрямляется (2) разных направлениях в зависимости от конкретного материала, Если проводить охлаждение под нагрузкой, то происходит избирательное образование кристаллов мартенсита, которые будут способствовать деформации в направлении приложенного усилия.
Нагревание вызывает обратное превращение мартенсита в аустенит путем зарождения и роста кристаллов аустенита. При этом восстанавливакзтся кристаллические структуры и микродеформации каждого кристаллика, что неизбежно приводит к полному восстановлению макродеформаций, которого не удается избежать, даже прикладывая нагрузки обратного знака. Такой возврат неупругих деформаций называют эффектом памяти формы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
