ДОМЕННЕ ВИРОБНИЦТВО ЧАВУНУ

СПЛАВИ

Суть корозії. Причини корозії різні, а суть будь-якої корозії одна: атоми металу під час взаємодії з компонентами довкілля втрачають електрони, тобто окиснюються. Метал, що перебував у вільному стані, перетворюється на різні сполуки: оксиди, гідроксиди тощо.

Корозія – це самочинне руйнування металів і сплавів внаслідок взаємодії їх із зовнішнім середовищем.

КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ

Ви вже знаєте, шо багато які хімічні сполуки, в тім числі й оксиди металів, за звичайних умов стійкіші, ніж метали. Саме тому в рудах більшість металів міститься не в чистому вигляді, а у формі хімічних сполук. Доводиться застосовувати складні і дуже енергоємні металургійні процеси, щоб вилучити метали з хімічних сполук, у складі яких вони містяться в рудах. Більшу частину результатів цієї праці віднімає у людей найлютіший ворог металів – корозія (від лат. corrosio–роз'їдання).

Під дією повітря, дощу, снігу, ґрунтової вологи металеві матеріали поступово руйнуються і знову переходять у стан хімічних сполук, подібних до тих, у складі яких вони містяться в рудах.

Корозія завдає величезної шкоди. Через корозію щорічно втрачається значна частина металевого запасу. Найбільше потерпають від корозії залізо та його сплави. Близько чверті виплавлених заліза, чавуну, сталі витрачається на те, щоб компенсувати збитки, заподіяні корозією. Особливо сильної корозії зазнають металеві матеріали в апаратах хімічної промисловості: тут на них діють кислоти, луги та інші агресивні речовини, до того ж, як правило, при високих температурах і підвищених тисках.

Проте шкода, заподіяна корозією, не зводиться лише до втрат металу через його руйнування. Крім цього, корозія спричинює величезні втрати, які навіть врахувати неможливо, зв'язані з виходом з ладу деталей машин, обладнання, споруд, що кородують. Навіть у разі незначного порушення цілісності парового котла, труби чи якогось апарата, наприклад хімічного, вся споруда стає непридатною. Деталь необхідно або замінити, або відремонтувати. До того ж корозія призводить до забруднення довкілля. Виходить, що збитки від корозії у сотні разів перевищують вартість зруйнованого металу. І, нарешті, надто дорого коштує захист від корозії.

Найбільш небезпечними для металів компонентами довкілля є кисень О2, водяна пара Н2О, карбон (ІV) оксид СО2, сульфур (ІV) оксид SO2 та нітроген (ІV) оксид NO2. Корозійне руйнування заліза та його сплавів у атмосфері кисню зумовлене перебігом такої реакції:

4Fe + ЗО2 = 2Fe2O3

Часто корозія розвивається у вологому повітрі, коли на поверхні металу утворюється найтонша плівка вологи, а також у разі контакту металу з розчином електроліту. Наприклад, корозія заліза у вологому повітрі пояснюється перебігом кількох реакцій, серед яких є такі:

2Fe + О2 + 2H2O = 2Fe(OH)2

4Fe(OH)2 + О2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

Захист металів від корозії.Залежно від природи металу, умов, а також призначення металевих виробів застосовуютьрізні способи боротьби з корозією. Один із найпоширеніших способів захисту металів від корозії–металеві та неметалеві покриття.

Металеві вироби вкривають іншими металами: їх нікелюють, хромують, оцинковують тощо. Одним із найдавніших способів захисту сталевих і мідних виробів від корозії є гаряче лудіння, наприклад посуду (вкриття оловом). Незважаючи на дефіцитність олова, близько половини усього видобутку його витрачається на захист металів. Луджені листи сталі називають білою жерстю. Вона використовується в основному для виготовлення консервних банок.

До неметалевих покриттів належить покриття металевих виробів лаками, фарбами, емаллю, каучуком (гумування виробів).

Для сповільнення корозії металевих виробів, які стикаються з кислотами, нині широко застосовують інгібітори уповільнювачі корозії.

Важливим способом захисту металів є виготовлення сплавів, стійких до корозії. Так, багато інструментів, деталі машин, предмети побуту виготовляють з неіржавної сталі та інших сплавів, стійких до корозії.

Завдання для самоконтролю

161. Що називається корозією? Наведіть приклади руйнування металевих виробів внаслідок корозії.

162. Чи можна вважати корозією: а) те, що натрій на повітрі швидко окиснюється; б) взаємодію цинку з хлоридною кислотою; в) добування водню взаємодією заліза з перегрітою водяною парою?

163. Напишіть йонне рівняння процесу корозійного руйну вання сталі (сплав заліза з вуглецем) у хлоридній кислоті.

164. Які основні способи захисту металів від корозії ви знаєте? Наведіть приклади із власних спостережень.

165. Чим визначається вибір способу захисту металу від корозії?

166. Що таке інгібітор? Чим інгібітор відрізняється від ката лізатора?

167. У розчин купрум (ІІ) сульфату насипали залізні ошурки масою 4,8 г. Які речовини утворились і яка їхня маса?

168*. Визначити масу окалини, що утворилася на залізній пластинці внаслідок тривалої взаємодії з повітрям об’ємом 10 л (н. у.).

 

Більшості металів властива здатність змішуватися один з | одним у розплавленому стані й утворювати сплави.

Сплав може складатися з двох і більше компонентів, у ртім числі й неметалів. Наприклад, мельхіор – сплав міді з | нікелем, сталь – сплав заліза з вуглецем.

Сплави широко використовуються у промисловості. Чисті метали не завжди задовольняють тим вимогам, які ставляться до матеріалів сучасної техніки. Це пояснюється тим, що сплави часто мають такі властивості, яких не мають ті метали, що їх утворюють. Змінюються густина, температура плавлення, електрична провідність, твердість і механічна міцність, пластичність, корозійна стійкість тощо. Наприклад, дюралюміній–сплав алюмінію (95%), міді (4%), магнію (0,5%), мангану (0,5%), зберігає легкість, але набагато твердіший за алюміній і мідь.

Залежність між складом сплавів та їхніми властивостями вперше встановив російський учений М. С. Курнаков.

Метали у сплавах можуть розчинятися один в одному, утворювати механічні суміші і реагувати один з одним з утворенням сполук.

1.Якщо сплавляються близькі за властивостями мета ли, то у вузлах їхніх кристалічних решіток містяться атоми різних металів, оскільки вони можуть заміщувати один одного. У такому разі утворюється однорідний сплав, який називають твердим розчином.

2.Якщо сплав є механічною сумішшю, то в ньому під мікроскопом можна чітко розрізнити кристали окремих металів.

3.Якщо під час сплавляння метали взаємодіють один з одним, то утворюються інтерметалічні сполуки (інтермета ліди), наявні в сплаві.

У разі розчинення неметалів у розплавлених металах також можуть відбуватися хімічні реакції. Наприклад, під час виплавляння чавуну залізо реагує з вуглецем з утворенням карбіду феруму Fe3C –цементиту, що надає твердості і крихкості чавуну.

Здатність металів у розплавленому стані не лише змішуватися, а й утворювати один з одним (і з неметалами) різні сполуки –це одна з причин того, що фізичні властивості сплавів різко відрізняються від властивостей тих металів, з яких вони складаються.

У промисловості широко використовуються сплави заліза з вуглецем. Залежно від вмісту Карбону в сплаві розрізняють: м'яке залізо (< 0,2% Карбону), сталь (0,2–1,7% Карбону) і чавун (1,7–5% Карбону).

Завдання для самоконтролю

170. У чому полягає суть процесу утворення сплавів? Назвіть сплави, знайомі вам із повсякденного життя.

171. Які види сплавів розрізняють залежно від їх структу ри?

172. Багато розплавлених металів під час змішування взає модіють один з одним з утворенням хімічних сполук, наприк лад CuZn3, Na2Pb, Ca3Sb2. Такі сполуки називають

(1) твердими розчинами; (3) інтерметалідами;

(2) механічними сумішами; (4) сполуками вкорінення.

173. Чому властивості сплавів відрізняються від властивос тей металів, що входять до їх складу?

174. Чому в техніці широко використовують сплави заліза, а не чисте залізо? Які сплави заліза використовують на вироб ництві та в побуті?

175. Аналізуючи сталь на вміст Карбону, спалили її зразок масою 2,5 г й добули 0,1 г карбон(І\/) оксиду . Визначити масову частку Карбону у сталі.

176. Визначити маси плюмбуму (ІІ) оксиду тастанум (IV) оксиду , потрібні для добування 500 г сплаву припою, в якому масова частка свинцю становить 66%, а олова –34%.

177*. Латунна паличка масою 10 г (склад латуні: ω(Cu) = = 60%, : ω(Zn) - 40%) занурена у склянку з розчином хлоридної кислоти з масовою часткою НСІ 30% і густиною 1,15 г/мл. Обчислити кількість речовини газу, що виділився при цьому, та об'єм витраченого розчину хлоридної кислоти.

 

Чавун –це сплав заліза з вуглецем та деякою кількістю силіцію Si, мангану Мп, фосфору Р, сірки S. Масова частка Карбону в чавуні 1,7%.

Чавун –твердий і крихкий матеріал. Його виплавляють у доменних печах, виготовлених з вогнетривких матеріалів (див. вклейку). У доменну піч завантажують шихту суміш сировинних матеріалів, що складається з залізної руди, палива і флюсів. Як паливо найчастіше використовують кам'яновугільний кокс. Він є джерелом теплоти, підтримує високу температуру в печі, а також бере участь у відновленні заліза з оксидів, що містяться в руді.

Спочатку кокс згоряє з утворенням карбон (ІV) оксиду. Внаслідок цього розвивається висока температура, бо згоряння коксу – екзотермічна реакція:

С + О2 = СО2

Утворений карбон (ІV) оксид проходить крізь розпечений кокс і, поглинаючи теплоту, відновлюється до карбону (П) оксиду:

СО2 + С → 2СО↑

Карбон (ІІ) оксидпри високій температурі легко відновлює залізо

Fe2O3 + ЗСО = 2Fe + 3CO2

Залізо утворюється у твердому стані. Губчасті грудочки його легко вбирають Карбон та інші елементи і перетворюються на чавун. Відбувається також хімічна взаємодія заліза з коксом і CO з утворенням цементиту–карбіду феруму Fe3C, який також входить до складу чавуну:

3Fe + С = Fe3C

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2

Утворений чавун плавиться і стікає у горно.

У доменну піч разом з рудою потрапляє й пуста порода, що містить SiO2 та інші речовини. Всі ці домішки, як правило, дуже тугоплавкі і можуть закупорити піч, яка працює безперервно протягом багатьох років. Щоб тугоплавкі домішки видалити з печі, їх переводять у легкоплавкі сполуки, у шлак, за допомогою флюсів. Як флюс використовують, наприклад, вапняк СаСО3, який у печі під впливом високої температури розкладається:

СаСО3 = СаО + СО2

Утворений кальцій оксид СаО взаємодіє з тугоплавкими оксидами, що є в шихті, і переводить їх у легкоплавкий шлак, наприклад:

СаО + SiO2 = CaSiO3

Шлак значно легший, ніж чавун, тому він плаває на його поверхні і тим самим захищає метал від окиснення.

Чавун і шлак збираються в нижній частині доменної печі –у горні, звідки їх періодично випускають.

Раніше шлак вважали відходом, а нині його використовують для виготовлення щебеню, гравію, шлакобетону, шлаковати та інших будівельних матеріалів.

З чавуну виливають різні вироби, деталі складної конфігурації. Адже чавун має важливу особливість, яка полягає у тому, що під час тверднення він не стискується, як більшість металів, а розширюється (як вода, коли вона переходить у лід).

Чавун, що застосовується для виливання виробів, називають ливарним. У ливарний чавун часто вводять добавки магнію та інших металів, що поліпшують меха㳥чні властивості чавуну, зменшують його крихкість. З ливарного чавуну виготовляють станини машин, махові колеса, плити, ґрати, художні вироби.

На частку ливарного чавуну припадає 10% маси всього чавуну, що виплавляється. Решту чавуну використовують для добування сталі. Це так званий переробний чавун.

З верхньої частини доменної печі виходить доменний газ. Він містить суміш газів – CO (28%), СО2, N2 та багато пилу. Доменний газ горючий (чому?). Його спалюють, а теплоту використовують для попереднього нагрівання повітря, збагаченого киснем, що надходить у піч.

Нагрівання здійснюють у повітронагрівниках – кауперах. Це високі башти, складеш з вогнетривкої цегли, куди потрапляють гарячі гази, що виходять із доменної печі. Вони віддають свою теплоту цеглі. Оксид карбону(П) згоряє у каупері і також підвищує його температуру. Потім доменний газ автоматично спрямовується в інший каупер, а крізь перший продувають повітря, що подається у доменну піч. У розпеченому каупері повітря нагрівається. Це дає змогу економити паливо, яке у великій кількості витрачалося б на підігрівання повітря, що надходить у піч.

Кожна доменна піч має кілька кауперів.

Повітронагрівники (схема)

 

Завдання для самоконтролю

178. Який склад шихти для доменної печі? Яке призначення мають її основні компоненти?

179. Обчисліть, в якій руді – у червоному Fe2O3 чи в магнітному Fe3O4 залізняку – масова частка Феруму більша.

180. Розкрийте основні хімічні процеси, що відбуваються під час виплавлення чавуну. Напишіть відповідні рівняння реакцій.

181. Чому під час доменного процесу утворюється метал з високим вмістом Карбону?

182. Яка роль шлаку в доменному процесі? Напишіть рівняння реакцій утворення шлаку.

183. Чому для дуття використовують повітря, збагачене киснем, а не звичайне повітря?

184. Обчисліть об'єм (н. у.) карбон (ІІ) оксиду, потрібного для відновлення заліза з оксиду феруму(ІІІ) масою 960 т.

185*. Маса магнітного залізняку (масова частка пустої породи 10%), потрібного для добування 2 т чавуну з масовою часткою Феруму 93%, становить

(1) 1,427 т; (3) 28,54 т;

(2) 2,854 т; (4) 14,27 т.

186*. Маса чавуну з масовою часткою Карбону 4%, якуможна добути з 580 кг магнітного залізняку з масовою часткою домішок 20%, дорівнює приблизно

(1) 50кг; (3) 250 кг;

(2) 100 кг; (4) 350 кг.

187*. Маса коксу з масовою часткою Карбону 97%, з якого утворюється такий об'єм карбон (ІІ) оксиду , що достатній длявідновлення 320 кг ферум (ІІІ) оксиду, дорівнює

(1) 37,1 кг; (3) 74,2 кг;

(2) 371 кг; (4) 742 кг.