Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
Комплексне видання

ЧАСТИНА І

ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛІВ

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 Fe3C. 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 й ковкою. 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(ІІ) оксиду. Добавки кремнію й марганцю 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

 

1-ша 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(ІІ) оксид, що можна зобразити рівнянням

Доведено, що при виплавці сталі ніякий інший ферум оксид не утворюється. Більше того, якщо в сталеплавильну піч помістити оксиди Fe3O4 або Fe2O3, що містяться в залізній руді або в іржі металобрухту, то вони реагують із залізом як окисники, утворюючи все той же ферум(ІІ) оксид:

2-га група реакцій. Окиснення домішок (кремнію, марганцю, фосфору) ферум(ІІ) оксидом протікає за типом заміщення. Утворювані оксиди, крім СО, 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(ІІ) оксиду. їхній рух відіграє позитивну роль, оскільки сприяє перемішуванню металу, очищенню від шлаку, що утворився в ньому, а також від пухирців азоту й водню.

3-тя 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:

Сульфід і фосфат Кальцію утворюють шлак, що спливає на поверхню сталі, а ферум оксид FeO залишається в розплаві сталі. Його усувають тоді, коли кількість вуглецю зменшиться до необхідного значення. Процес усунення оксиду FeO 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.



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити