Реферат: Железо и его роль. Реферат по химии на тему железо
Реферат - Свойства и применение железа
Муниципально образовательное учреждение средняя образовательная школа №39
Четвертной проект на тему:
«Строение и свойства железа»
Выполнил:
Проверил:
Хабаровск 2007г.
Содержание
1. Введение……………………………………………………3
2. Свойства и использование железа. Доменная печь…………..…..4
3. Список литературы…………………………………………………..8
Введение
Железо — один из самых распространенных металлов в земной коре. Люди научились извлекать железо из руды и обрабатывать его около 4 тыс. лет назад.
Содержание железа в земной коре составляет 4,65%, а в целом наша планета состоит из железа почти на 35%. В основном оно сосредоточено в земном ядре.
В природе железо встречается в виде оксидов (соединений с кислородом) железных рудах. Две основные железные руды – это гематит и магнетит. Гематит – одна из основных железных руд. Этот минерал часто образует комки, похожие на почки, — конкреции.
С XIV в. для выплавки чугуна из железной руды, смешанной с коксом, стали применять доменные печи. Чугун – это почти чистое железо с примесью углерода, который включается в железо в доменной печи при сгорании кокса. Углерод придает чугуну твердость.
Со второй половины XIX в. все больше чугуна начали перерабатывать в сталь. Сталь содержит меньше углерода, чем чугун, и поэтому она более пластична и устойчива к резким ударным нагрузкам. При выплавке стали углерод частично удаляют из чугуна путем продувания кислорода через расплав и добавляют в сталь разные металлы, каждый из которых придает ей особые свойства.
Свойства и использование железа. Доменная печь.
Железную руду, кокс и известняк помещают в шахту доменной печи. Руда содержит оксид железа, кокс получают нагреванием угля без доступа воздуха, а известняк состоит из карбоната кальция. Горячий воздух подается в нижнюю часть доменной печи. По мере сгорания кокса содержащийся в нем углерод вступает в реакцию с кислородом воздуха, в ходе которой образуется оксид углерода. Горящий кокс нагревает сырье в нижней части печи до температуры выше 1600 градусов по Цельсию. При такой температуре кислород, содержащийся в оксиде железа, вступает в реакцию оксидом углерода. В результате получается диоксид углерода, а из руды высвобождается практически чистое железо(чугун) и стекает на дно печи. Расплавленный чугун выливают из нижней части печи каждые 3-4 часа. Известняк взаимодействует с песком, глиной и другими содержащимися в руде примесями, образуя так называемый шлак. Расплавленный шлак, будучи легче чугунного расплава, скапливается на поверхности металла и время от времени удаляется из печи через специальное отверстие – летку.
Железо – VIII В группы.
Электронная конфигурация его тома:1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d.Это металл, простое вещество – восстановитель средней силы. Основные степени окисления железа в соединениях:+2,+3. оксид железа (II) FeO – основный оксид, его гидратная форма Fe(OH)2 — нерастворимое основание, обладает восстановительными свойствами. Оксид железа (III)Fe2O3 – основный оксид с признаками амфотерного оксида. Его гидроксид Fe(OH)3- амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Соединения железа(III) – слабые окислители. Из соединений железа они наиболее химически инертны.
Чистое железо, не содержащее примесей, — прочный и пластичный металл, который легко куется и прокатывается. Железо притягивается магнитом. Плотность металла 7,87 г/см³, относится к тяжелым металлам(черная металургия). Температура плавления 1535 градусов по Цельсию, кипения – 3200 градусов по Цельсию.
С простыми веществами железо реагирует только при высокой температуре: сгорает на воздухе с образованием оксида Fe2O3, хлором окисляется Fe +3 .
2Fe+3Cl2=2FeCl3 — хлорид железа (III).
При нагревании с серой образуется сульфид железа (II)FeS, с углеродом – карбид железа Fe3C.
В разбавленных растворах хлороводородной (соляной) и серной кислот железо растворяется с образованием соединений Fe(II):
Fe+2HCl=FeCl2+h3-.
Разбавленная азотная и концентрированная серная кислота окисляют железо до Fe+3:
Fe+4HCl=Fe(NO3)3+NO+2h3O,
2Fe+6h3SO4=Fe2(SO4)3+3SO2+6h3O.
Концентрированная азотная кислота пассивирует железо, создавая на поверхности защитную оксидную пленку.
Железо вытесняет малоактивные металлы из растворов их солей:
Fe+CuSO4=FeSO4=Cu.
Гидроксид железа (II) окисляется кислородом воздуха:
4Fe(OH)2+O2+2h3O=4Fe(OH)3.
Соединения железа (III) – оксид и гидроксид – обладют амфотерными свойствами. Так, оксид реагирует при нагревании с основными оксидами:
Fe2O3+CaO=Ca(FeO2)2.
Свежеосажденный гидроксид железа (III) легко растворяется в кислотах:
Fe(OH)3+3HNO3=Fe(NO3)3+3h3O.
В щелочах Fe(OH)3 растворяется только при длительном кипячении:
Fe(OH)3+NaOH=Na[Fe(OH)4].
Железо (III) образует многочисленные комплексные соединения: гидратные комплексы при гидролизе. Качественными реакциями на ионы Fe+3 и Fe+3 также являются реакции с образованием окрашенных комплексных соединений:
Fe+2
FeSO4+K3[Fe(CN)6]=KFe[Fe(CN)6]-+K2SO4
4FeCl3+3K4[Fe(CN)6]=Fe4[Fe(CN)6]3-+12KCl
Взаимопереходы ионов железа при передаче электронов:
Fe+2 Fe+3
обусловливают работу дыхательных ферментов (цитохромов), в частности, гемоглобина, переносящего кислород от органов дыхания ко всем клеткам организма.
Список литературы
1. «Химия и научно-технический прогресс», И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня, Москва “Просвещение” 1999г. .(для учеников 10-11 классов)
2. «Энциклопедический словарь юного химика», Москва 2000г.
3. «Необычные свойства обычных металлов», В.А.Займовский, Т.Л.Колупаева, библиотека “Квант”
www.ronl.ru
Дипломная работа - Железо - Химия
Реферат на тему:
Железо ( Fe )
Ученика 11 «А» класса
812 школы
Амелькина Алексея
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее, учёные не знают, Когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек стал использовать уже в начале 1 тысячелетия до н.э. Когда на смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия на территории Европы и Азии начала развиваться ещё в 9 – 7 веке до н.э.
Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Поскольку ежегодно на Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их — железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных метеоритов весит около 60 тон. Он найден в 1920 году в юго-западной части Африки. У «небесного» железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддаётся ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное тело. Оружие из «небесного» металла долгие века оставались чрезвычайно редким и драгоценным.
Железо обнаружено также и на Луне, В лунном грунте, оно присутствует в самородном, не окислённом состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы. Хотя на Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.
В древности железо ценилось очень высоко. В «Географии» древнего учёного Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что у африканских народов железо стоило в 10 раз дороже золота… Может быть, это справедливо, если считать главным критерием дороговизны не химическую стойкость и редкость, а значение для техники, для развития цивилизации. Главные причины того, что именно железо стало важнейшим металлом для техники и производства, заключаются в распространённости соединений этого элемента и сравнительной простоте восстановления металла из них. Основная масса железа находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.
По запасам в земной коре Fe занимает 4 место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям учёных, состоит из никеля и железа. Но это железо недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником Fe остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит Fe3O4, гидрогетит FeO2nh3Oгематит Fe2O сидерит FeCO3.Они составляют основу железных руд – магнитного, бурого, красного и шпантового железняка.
Железо – серый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).
Рассказывая о свойствах Fe, нужно, прежде всего, говорить, о каком железе идёт речь – о техническом чистом Feили о Feвысшей чистоты. Разница в их свойствах – и физических, и химических – достаточно велика.
Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: +2, +3, +6, редко +1 ,+4 и даже 0 (в карбониле Fe(Co)5). Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FeO(2), а также его сульфид и галогениды. Ионы Fe образуются при растворении Feв разбавленных кислотах – азотной и серной – Feне растворяется: благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной плёнки. Практически не растворяется Feи в щелочах (кроме горячих концентрированных растворах).
Соли трёхвалентного железа обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется; характерная для Fe2+ светло-зелёная окраска изменяется на бурую. Соли трёхвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная h3FeO4 железистая HFeO2 кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их – дирраты и дерриты известны и изучены достаточно хорошо.
Оксид трёхвалентного железа Fe2O3, Оксид состава Fe3O4 рассматривают как соединение FeOи Fe2O3. Гидроксиды двух и трёхвалентного железа Fe(OH)2 и Fe(OH)3 в воде растворяется плохо и, в отличие от оксидов, не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений Fe, но и как важнейшие сырьё для чёрной металлургии. Подобно другим переходным металлам, Feобразует также множество комплексных соединений.
Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина Feв нашем организме есть ещё и в моимобине – белке. Запасающим кислород в мышцах. Есть также железосодержащие ферменты и ферритин.
www.ronl.ru
Реферат - Железо и его роль
Железо и его роль
Герою знаменитого романа Даниэля Дефо повезло. Корабль, с которого он спасся, сидел на мели совсем недалеко от острова. Робинзон сумел погрузить на плот все необходимое и благополучно переправился на остров. Ему повезло еще раз – цитируем роман: «После долгих поисков я нашел ящик нашего плотника, и это была для меня поистине драгоценная находка, которой я не отдал бы тогда за целый корабль с золотом».
Что было в плотницком ящике? Обыкновенный железный инструмент: топор, пила, молоток, гвозди.
Через два столетия на другой необитаемый остров попали герои другого французского романа – пятеро американцев. Они сумели не только выжить на острове, но и создать себе более или менее нормальные условия жизни, что определенно не удалось бы, если бы всеведущий инженер Сайрес Смит (заметим, что по-английски «смит» означает «кузнец») не сумел найти на таинственном острове железную руду и сделать железные инструменты. Иначе опять пришлись бы Жюлю Верну выручать своих героев с помощью знаменитого капитана Немо.
Как видим, без железа не может обойтись даже приключенческая литература. Чрезвычайно важное место занимает этот металл в жизни человека.
Цифры, отражающие годовой уровень выплавки стали, в значительной степени определяют экономическую мощь страны. Мировое производство стали уже превысило 600 млн. т, и пределов этому росту пока не видно. Среди важнейших строек десятой пятилетки наряду с БАМом и КамАЗом во всех документах неизменно фигурирует Оскольский электрометаллургический комбинат.
Точно так же важнейшими стройками первых наших пятилеток были Магнитогорский и Кузнецкий металлургические комбинаты.
Развитию черной металлургии – металлургии железа – придавал первостепенное значение Владимир Ильич Ленин. Еще до Октябрьской революции, в 1913г., в статье «Железо в крестьянском хозяйство» он писал:
«Относительно железа – одного из фундаментов, можно сказать, цивилизации – отсталость и дикость России особенно велики». Действительно, в тот год, а 1913 год считался в царской России годом промышленного подъема, в огромной стране со 150-миллионным населением было выплавлено лишь 3,6млнт стали. Сейчас это средняя годовая производительность среднего металлургического завода. Сегодня Советский Союз по выплавке чугуна и стали уверенно держит первое место в мире. В 1975г. в стране выплавлены 141млнт стали и 103млнт чугуна (в США, соответственно, для сравнения: 110 и 75млнт).
Начало железного века
Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г.Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1:160:1280:6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов. Как свидетельствует в «Одиссее» Гомер, победителя игр, устроенных Ахиллесом, награждали куском золота и куском железа.
Железо было в равной степени необходимо и воину, и пахарю, а практическая потребность, как известно, – лучший двигатель производства и технического прогресса.
Термин «железный век» введен в науку в середине XIXв. датским археологом К.Ю. Томсеном. «Официальные» границы этого периода человеческой истории: от IX...VIIвв. дон.э. когда у многих народов и племен Европы и Азии начала развиваться металлургия железа, и до времени возникновения у этих племен классового общества и государства. Но если эпохи называть по главному материалу орудий труда, то, очевидно, железный век продолжается и сегодня.
Как получали железо наши далекие предки? Сначала так называемым сыродутным методом. Сыродутные печи устраивали прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склон оврага, поддерживал горение угля. Железная руда восстанавливалась, и получалась мягкая крица – железо с включениями шлака. Такое железо называлось сварочным; в нем содержалось немного углерода и примесей, перешедших из руды. Крицу ковали. Куски шлака отваливались, и под молотом оставалось железо, пронизанное шлаковыми нитями. Из него отковывали различные орудия.
Век сварочного железа был долгим, однако людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или булат) делали на Востоке еще во времена Аристотеля (IVв.дон.э.). Но технология ее производства, так же как процесс изготовления булатных клинков, держалась в секрете.
Что такое булат
И булат, и дамасская сталь по химическому составу не отличаются от обычной нелегированной стали. Это сплавы железа с углеродом. Но в отличие от обычной углеродистой стали булат обладает очень большой твердостью и упругостью, а также способностью давать лезвие исключительной остроты.
Секрет булата не давал покоя металлургам многих веков и стран. Каких только способов и рецептов не предлагалось! В железо добавляли золото, серебро, драгоценные камни, слоновую кость. Придумывались хитроумнейшие (и порой ужаснейшие) «технологии». Один из древнейших советов: для закалки погружать клинок не в воду, а в тело мускулистого раба, – чтобы его сила перешла в сталь.
Раскрыть секрет булата удалось в первой половине прошлого века замечательному русскому металлургу П.П. Аносову. Он брал самое чистое кричное железо и помещал его в открытом тигле в горн с древесным углем. Железо, плавясь, насыщалось углеродом, покрывалось шлаком из кристаллического доломита, иногда с добавкой чистой железной окалины. Под этим шлаком оно очень интенсивно освобождалось от кислорода, серы, фосфора и кремния. Но это было только полдела. Нужно было еще охладить сталь как можно спокойнее и медленнее, чтобы в процессе кристаллизации сначала могли образоваться крупные кристаллы разветвленной структуры – так называемые дендриты. Охлаждение шло прямо в горне, заполненном раскаленным углем. Затем следовала искусная ковка, которая ни должна была нарушить образовавшуюся структуру.
Другой русский металлург – Д.К. Чернов впоследствии объяснил происхождение уникальных свойств булата, связав их со структурой. Дендриты состоят из тугоплавкой, но относительно мягкой стали, а пространство меж их «ветвями» заполняется в процессе застывания металла более насыщенной углеродом, а следовательно, и более твердой сталью. Отсюда большая твердость и большая вязкость одновременно. При ковке этот стальной «гибрид» не разрушается, сохраняется его древовидная структура, но только из прямолинейной она превращается в зигзагообразную. Особенности рисунка в значительной мере зависят от силы и направления ударов, от мастерства кузнеца.
Дамасская сталь древности – это тот же булат, но позднее так называли сталь, полученную путем кузнечной сварки из многочисленных стальных проволочек или полос. Проволочки делались из сталей с разным содержанием углерода, отсюда те же свойства, что и у булата. В средние века искусство приготовления такой стали достигло наибольшего развития. Известен японский клинок, в структуре которого обнаружено около 4млн микроскопически тонких стальных нитей. Естественно, процесс изготовления оружия из дамасской стали еще более трудоемок, чем процесс изготовления булатных сабель.
Кстати, после смерти П.П. Аносова секрет булата был вновь утерян. В третий раз его открыли уже в середине XXв. Булатные пластинки были своеобразными сувенирами: металлурги Златоуста вручали их участникам Всесоюзного совещания прокатчиков, проходившего в этом городе в 1961г.
Вернемся, однако, в те времена, когда булат был прекрасной и опасной диковиной.
От домницы к домне
Сыродутный процесс во многом зависел от погоды: нужно было, чтобы ветер обязательно задувал в «трубу». Стремление избавиться от капризов погоды привело к созданию мехов, которыми раздували огонь в сыродутном горне. С появлением мехов отпала надобность устраивать сыродутные горны на склонах. Появились печи нового типа – так называемые волчьи ямы, которые выкапывали в земле, и домницы, которые возвышались над землей. Их делали из камней, скрепленных глиной. В отверстие у основания домницы вставляли трубку мехов и начинали раздувать печь. Уголь сгорал, а в горне печи оставалась уже знакомая нам крица. Обычно, чтобы вытащить ее наружу, выламывали несколько камней в нижней части печи. Затем их опять закладывали на место, заполняли печь углем и рудой, и все начиналось сначала.
Само слово «домница» происходит от славянского слова «дмути», что означает «дуть». От этого же слова происходят слова «надменный» (надутый) и «дым». По-английски доменная печь называется, как и по-русски, дутьевой – blast furnace. А во французском и немецком языках эти печи получили название высоких (Hochofen по-немецки и haut fourneau по-французски).
Домницы становились все больше. Увеличивалась производительность мехов: уголь горел все жарче, и железо насыщалось углеродом.
При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун – железо, содержащее более 2% углерода плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от одного удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» – pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из него различные изделия, например пушечные ядра.
К XIV-XVвв. доменные печи, производившие чугун, прочно вошли в промышленность. Высота их достигала 3м более, они выплавляли литейный чугун, из которого лили уже не только ядра, но и сами пушки.
Подлинный поворот от домницы к домне произошел лишь в 80-х годах XVIIIв., когда одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Лиха беда начало! Число сопел, или фурм (как их теперь называют), росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горна, повышалась производительность печей.
Еще два открытия сильно повлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменных печей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности, занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили до такой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожать лес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия стала быстро хиреть. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главным образом из России. Так продолжалось до середины XVIIIв., когда Абрагам Дерби нашел способ получения кокса из каменного угля, запасы которого в Англии очень велики. Кокс стал основным топливом для доменных печей.
С изобретением кокса связана легенда о Даде Дадли, который якобы изобрел коксование еще в XVIв., задолго до Дерби. Но фабриканты древесного угля испугались за свои доходы и, сговорившись, убили изобретателя.
В 1829г. Дж.Нилсон на заводе Клейд (Шотландия) впервые применил вдувание в домны нагретого воздуха. Это нововведение повысило производительность печей и резко снизило расход топлива.
Последнее значительное усовершенствование доменного процесса произошло уже в наши дни. Суть его – замена части кокса дешевым природным газом.
Главный передел
Процесс производства стали сводится в сущности к выжиганию из чугуна примесей, к окислению их кислородом воздуха. То, что делают металлурги, рядовому химику может показаться бессмыслицей: сначала восстанавливают окисел железа, одновременно насыщая металл углеродом, кремнием, марганцем (производство чугуна), а потом стараются выжечь их. Обиднее всего, что химик совершенно прав: металлурги применяют явно нелепый метод. Но другого у них не было.
Главный металлургический передел – производство стали из чугуна – возник в XIVв. Сталь тогда получали в кричных горнах. Чугун помещали на слой древесного угля, расположенный выше фурмы для подачи воздуха. При горении угля чугун плавился и каплями стекал вниз, проходя через зону, более богатую кислородом, – мимо фурмы. Здесь железо частично освобождалось от углерода и почти полностью от кремния и марганца. Затем оно оказывалось на дне горна, устланном слоем железистого шлака, оставшегося после предыдущей плавки. Шлак постепенно окислял углерод, еще сохранившийся в металле, отчего температура плавления металла повышалась, и он загустевал. Образовавшийся мягкий слиток ломом поднимали вверх. В зоне над фурмой он еще раз переплавлялся, при этом окислялась еще какая-то часть содержащегося в железе углерода. Когда после переплавки на дне горна образовывалась 50...100-килограммовая крица, ее извлекали из горна и тут же отправляли на проковку, цель которой была не только уплотнить металл, но и выдавать из него жидкие шлаки.
Наиболее совершенным железоделательным агрегатом прошлого была пудлинговая печь, изобретенная англичанином Генри Кортом в конце XVIIIв. (Кстати, он же изобрел и прокатку профильного железа на валках с нарезанными в них калибрами. Раскаленная полоса металла, проходя через калибры, принимала их форму.).
Пудлинговая печь Корта загружалась чугуном, а подина (дно) и стены ее были футерованы железной рудой. После каждой плавки их подновляли. Горячие газы из топки расплавляли чугун, а потом кислород воздуха и кислород, содержащийся в руде, окисляли примеси. Пудлинговщик, стоящий у печи, помешивал в ванне железной клюшкой, на которой осаждались кристаллы, образующие железную крицу.
После изобретения пудлинговой печи в этой области черной металлургии долго не появлялось ничего нового, если не считать разработанного англичанином Гунстманом тигельного способа получения высококачественной стали. Но тигли были малопроизводительны, а развитие промышленности и транспорта требовало все большего, и большего количества стали.
Мартен и конвертер
Генри Бессемер был механиком, вдобавок без систематического образования. Он изобретал, что придется: машинку для гашения марок, нарезную пушку, различные механические приспособления. Бывал он и на металлургических заводах, наблюдал за работой пудлинговщиков. У Бессемера появилась мысль переложить эту тяжелую «горячую» работу на сжатый воздух. После многих проб он в 1856г. запатентовал способ производства стали продуванием воздуха через жидкий чугун, находящийся в конвертере – грушевидном сосуде из листового железа, выложенном изнутри кварцевым огнеупором.
Для подвода дутья служит огнеупорное днище со многими отверстиями. Конвертер имеет устройство для поворота в пределах 300°. Перед началом работы конвертер кладут «на спину», заливают в него чугун, пускают дутье и только тогда ставят конвертер вертикально. Кислород воздуха окисляет железо в закись FeO. Последняя растворяется в чугуне и окисляет углерод, кремний, марганец… Из окислов железа, марганца и кремния образуются шлаки. Такси процесс ведут до полного выгорания углерода.
Затем конвертер снова кладут «на спину», отключают дутье, вводят в металл расчетное количество ферромарганца – для раскисления. Так получается высококачественная сталь.
Способ конвертерного передела чугуна стал первым способом массового производства литой стали.
Передел в бессемеровском конвертере, как выяснилось позже, имел и недостатки. В частности, из чугуна но удалялись вредные примеси – сера и фосфор. Поэтому для переработки в конвертере применяли главным образом чугун, свободный от серы и фосфора. От серы в последствии научились избавляться (частично, разумеется), добавляя в жидкую сталь богатый марганцем «зеркальный» чугун, а позже и ферромарганец.
С фосфором, который не удалялся в доменном процессе и не связывался марганцем, дело обстояло сложнее. Некоторые руды, такие, как лотарингская, отличающиеся высоким содержанием фосфора, оставались непригодными для производства стали. Выход был найден английским химиком С.Д.Томасом, который предложил связывать фосфор известью. Конвертер Томаса в отличие от бессемеровского был футерован обожженным доломитом, а не кремнеземом. В чугун во время продувки подавали известь. Образовывался известково-фосфористый шлак, который легко отделялся от стали. Впоследствии этот шлак даже стали использовать как удобрение.
Самая большая революция в сталеплавильном производстве произошла в 1865г., когда отец и сын – Пьер и Эмиль Мартены использовали для получения стали регенеративную газовую печь, построенную по чертежам В.Сименса. В ней, благодаря подогреву газа и воздуха, в особых камерах с огнеупорной насадкой достигалась такая высокая температура, что сталь в ванне печи переходила уже не в тестообразное, как в пудлинговой печи, а в жидкое состояние. Ее можно было заливать в ковши и формы, изготовлять слитки и прокатывать их в рельсы, балки, строительные профили, листы… И все это в огромных масштабах! Кроме того, появилась возможность использовать громадные количества железного лома, скопившегося за долгие годы на металлургических и машиностроительных заводах.
Последнее обстоятельство сыграло очень важную роль в становлении нового процесса. В начале XXв. мартеновские печи почти полностью вытеснили бессемеровские и томасовские конвертеры, которые хотя и потребляли лом, но в очень малых количествах.
Конвертерное производство могло бы стать исторической редкостью, такой же, как и пудлинговое, если бы не кислородное дутье. Мысль о том, чтобы убрать из воздуха азот, не участвующий в процессе, и продувать чугун одним кислородом, приходила в голову многим видным металлургам прошлого; в частности, еще в XIXв. русский металлург Д.К.Чернов и швед Р.Окерман писали об этом. Но в то время кислород был слишком дорог. Только в 30...40-х годах нашего столетия, когда были внедрены дешевые промышленные способы получения кислорода из воздуха, металлурги смогли использовать кислород в сталеплавильном производстве. Разумеется, в мартеновских печах. Попытки продувать кислородом чугун в конвертерах не привели к успеху; развивалась такая высокая температура, что прогорали днища аппаратов. В мартеновской печи все было проще: кислород давали и в факел, чтобы повысить температуру пламени, и в ванну (в жидкий металл), чтобы выжечь примеси. Это позволило намного увеличить производительность мартеновских печей, но в то же время повысило температуру в них настолько, что начинали плавиться огнеупоры. Поэтому и здесь кислород применяли в умеренных количествах.
В 1952г. в австрийском городе Линце на заводе «Фест» впервые начали применять новый способ производства стали – кислородно-конвертерный. Чугун заливали в конвертор, днище которого не имело отверстий для дутья, было глухим. Кислород подавался на поверхность жидкого чугуна. Выгорание примесей создавало такую высокую температуру, что жидкий металл приходилось охлаждать, добавляя в конвертер железную руду и лом. И в довольно больших количествах. Конвертеры снова появились на металлургических заводах. Новый способ производства стали начал быстро распространяться во всех промышленно развитых странах. Сейчас он считается одним из самых перспективных в сталеплавильном производстве.
Достоинства конвертера состоят в том, что он занимает меньше места, чем мартеновская печь, сооружение его гораздо дешевле, а производительность выше. Однако в конвертерах сначала выплавляли только малоуглеродистые мягкие стали. В последующие годы был разработан процесс выплавки в конвертере высокоуглеродистых и легированных сталей.
Электричество плавит металл
Свойства сталей разнообразны. Есть стали, предназначенные для долгого пребывания в морской воде, стали, выдерживающие высокую температуру и агрессивное действие горячих газов, стали, из которых делают мягкую увязочную проволоку, и стали для изготовления упругих и жестких пружин.
Такое разнообразие свойств вытекает из разнообразия составов сталей. Так, из стали, содержащей 1% углерода и 1,5% хрома, делают шарикоподшипники высокой стойкости; сталь, содержащая 18% хрома и 8...9% никеля, – это всем известная «нержавейка», а из стали, содержащей 18% вольфрама, 4% хрома и 1% ванадия, изготовляют токарные резцы.
Это разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т.е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром – металл дорогой. Как найти выход из этого положения?
Выход был найден в начале XXв. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°C. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу – окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.
Позднее был предложен еще один способ электроплавки – индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.
В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают ферросплавы – сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.
Бочка меда и ложка дегтя
Стали, особенно качественные, оказались очень чувствительными к содержанию примесей. Даже небольшие количества кислорода, азота, водорода, серы, фосфора сильно ухудшают их свойства – прочность, вязкость, коррозионную стойкость. Эти примеси образуют с железом и другими содержащимися в стали элементами неметаллические соединения, которые вклиниваются между зернами металла, ухудшают его однородность и снижают качество. Так, при повышенном содержании кислорода и азота в сталях снижается их прочность, водород вызывает появление флокенов – микротрещин в металле, которые приводят к неожиданному разрушению стальных деталей под нагрузкой, фосфор увеличивает хрупкость стали на холоде, сера вызывает красноломкость – разрушение стали под нагрузкой при высоких температурах.
Металлурги долго искали пути удаления этих примесей. После выплавки в мартеновских печах, конвертерах и электропечах металл раскисляют – прибавляют к нему алюминий, ферросилиций (сплав железа с кремнием) или ферромарганец. Эти элементы активно соединяются с кислородом, всплывают в шлак и уменьшают содержание кислорода в стали. Но кислород все же остается в стали, а для высококачественных сталей и оставшиеся его количества оказываются слишком большими. Необходимо было найти другие, более эффективные способы.
В 50-х годах металлурги начали в промышленном масштабе вакуумировать сталь. Ковш с жидким металлом помещают в камеру, из которой откачивают воздух. Металл начинает бурно кипеть и газы из него выделяются.
Однако представьте себе ковш с 300т стали и прикиньте, сколько времени пройдет, пока он прокипит полностью, и насколько за это время охладится металл. Вам сразу станет ясно, что такой способ годится лишь для небольших количеств стали. Поэтому были разработаны другие, более быстрые и эффективные способы вакуумирования. Сейчас они применяются во всех развитых странах, и это позволило улучшить качество стали. Но требования к ней все росли и росли.
В начале 60-х годов в Киеве, во Всесоюзном институте электросварки им. Е.О.Патона был разработан способ электрошлакового переплава стали, который очень скоро начали применять во многих странах. Этот способ очень прост. В водоохлаждаемый металлический сосуд – кристаллизатор – помещают слиток металла, который надо очистить, и засыпают его шлаком особого состава. Затем слиток подключают к источнику тока. На конце слитка возникает электрическая дуга, и металл начинает оплавляться. Жидкая сталь реагирует со шлаком и очищается не только от окислов, но и от нитридов, фосфидов и сульфидов. В кристаллизаторе застывает новый, очищенный от вредных примесей слиток. В 1963г. за разработку и внедрение метода электрошлакового переплава группа работников Всесоюзного института электросварки во главе с Б.И. Медоваром и Ю.В.Латашом была удостоена Ленинской премии.
По несколько иному пути пошли ученые-металлурги из Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им. И.П.Бардина. В содружестве с работниками металлургических заводов они разработали еще более простой способ. Шлаки особого состава для очистки металла расплавляют и выливают в ковш, а затем в этот жидкий шлак выпускают металл из печи. Шлак перемешивается с металлом и поглощает примеси. Метод этот быстр, эффективен и не требует больших затрат электроэнергии. Его авторы С.Г.Воинов, А.И.Осипов, А.Г.Шалимов и другие в 1966г. также были удостоены Ленинской премии.
Однако у читателя уже, наверное, возник вопрос: а к чему все эти сложности? Ведь мы уже говорили, что в обычной электрической печи можно создать любую атмосферу. Значит, можно просто откачать из печи воздух и вести плавку в вакууме. Но не спешите в патентное бюро! Этот способ уже давно был использован в небольших индукционных печах, а в конце 60-х и начале 70-х годов его начали применять и в довольно больших дуговых и индукционных электропечах. Сейчас способы вакуумного дугового и вакуумного индукционного переплава получили довольно широкое распространение.
Здесь мы описали только основные способы очистки стали от вредных примесей. Существуют десятки их разновидностей. Они помогают металлургам удалить пресловутую ложку дегтя из бочки меда и получить высококачественный металл.
Без домен?
Выше уже говорилось, что черная металлургия с точки зрения химика – занятие, мягко говоря, нелогичное. Сначала железо насыщают углеродом и другими элементами, а потом тратят много труда и энергии для выжигания этих элементов. Не проще ли сразу восстановить железо из руды. Ведь именно так и поступали древние металлурги, которые получали размягченное горячее губчатое железо в сыродутных горнах.
В последние годы эта точка зрения уже вышла из стадии риторических вопросов и опирается на совершенно реальные, и даже осуществленные проекты. Получением железа непосредственно из руды, минуя доменный процесс, занимались еще в прошлом веке. Тогда этот процесс и получил название прямого восстановления. Однако до последнего времени он не нашел большого распространения. Во-первых, все предложенные способы прямого восстановления были малопроизводительными, а во-вторых, полученный продукт – губчатое железо – был низкокачественным и загрязненным примесями. И все же энтузиасты продолжали работать в этом направлении.
Положение коренным образом изменилось с тех пор, когда в промышленности начали широко использовать природный газ. Он оказался идеальным средством восстановления железной руды. Основной компонент природного газа – метан Ch5 разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах – реформерах по реакции 2Ch5 +О2 →2CO+2Н2 .
Получается смесь восстановительных газов – окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в реактор, в который подается и железная руда. Оговоримся сразу – формы и конструкции реакторов очень разнообразны. Иногда реактором служит вращающаяся трубчатая печь, типа цементной, иногда – шахтная печь, иногда – закрытая реторта. Этим и объясняется разнообразие названий способов прямого восстановления: Мидрекс, Пурофер, Охалата-и-Ламина, СЛ-РН и т.д. Число способов уже перевалило за два десятка. Но суть их обычно одна и та же. Богатое железорудное сырье восстанавливается смесью окиси углерода и водорода.
Но что же делать с полученной продукцией? Из губчатого железа не только хорошего топора – хорошего гвоздя отковать нельзя. Как бы ни была богата исходная руда, чистого железа из нее все равно не получится. По законам химической термодинамики даже восстановить все содержащееся в руде железо не удастся; часть его все равно останется в продукте в виде окислов. И здесь на помощь нам приходит испытанный друг – электропечь. Губчатое железо оказывается почти идеальным сырьем для электрометаллургии. Оно содержит мало вредных примесей и хорошо плавится.
Итак, опять двухступенчатый процесс! Но это уже другой способ. Выгода схемы прямое восстановление – электропечь состоит в ее дешевизне. Установки прямого восстановления значительно дешевле и потребляют меньше энергии, чем доменные печи. А производительность современных установок уже достигла довольно высокого уровня. Таким образом, новый, «бездоменный» способ производства стали уже начинает приобретать права гражданства. В нашей стране вблизи Старого Оскола сооружается большой металлургический комбинат, который будет работать именно но такой схеме. Его первая очередь будет введена в эксплуатацию в 1980 г.
Заметим, что прямой переплав – не единственный способ применения губчатого железа в черной металлургии. Его можно также использовать вместо металлолома в мартеновских печах, конвертерах и электросталеплавильных печах.
Способ переплава губчатого железа в электропечах бурно распространяется и за рубежом, особенно в странах, располагающих большими запасами нефти и природного газа, т.е. в странах Латинской Америки и Ближнего Востока. Однако, уже исходя из этих соображений (наличия природного газа), пока нет еще оснований считать, что новый способ когда-нибудь полностью вытеснит традиционный двухступенчатый способ доменная печь – сталеплавильный агрегат.
Будущее железа
Железный век продолжается. Примерно 9 /10 всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Пластмассы? Но они в наше время чаще всего выполняют в различных конструкциях самостоятельную роль, а если уж их в соответствии с традицией пытаются ввести в ранг «незаменимых заменителей», то чаще они заменяют цветные металлы, а не черные. На замену стали идут лишь несколько процентов потребляемых нами пластиков.
Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны и в массе – дешевы. Сырьевая база этого металла тоже не вызывает опасений: уже разведанных запасов железных руд хватило бы по меньшей мере на два века вперед. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.
Как писал Плиний старший
«Железные рудокопи доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградом, понуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем домы, разбиваем камни и употребляем железо на все подобные надобности. Но тем же железом производим брани, битвы и грабежи и употребляем оное не только вблизи, но мещем окрыленное вдаль то из бойниц, то из мощных рук, то в виде оперенных стрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого. Ибо, чтобы смерть скорее постигла человека, соделали ее крылатою и железу придали перья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе».
Драгоценный металл
В «Географии» древнегреческого писателя Страбона упоминается о том, что африканские народы за один фунт железа отдавали десять фунтов золота.
Извлеченное из древнескандинавских гробниц оружие также свидетельствует о драгоценности железа в прошлом – из него сделаны только острия мечей, а все остальные части – из бронзы.
Оружие из метеоритов
С давних промен люди пытались использовать метеоритное железо, хотя сделать это было не просто.
Бухарский эмир приказал своим лучшим оружейникам отковать ему меч из куска «небесного железа». Но сколько они ни старались, ничего не получалось. Оружейников казнили. Они погибли из-за того, что нагретый металл не поддавался ковке. Это характерно для никелистого метеоритного железа: оно куется только холодным, а при нагревании становится хрупким.
Несмотря на это, у властителя индийского княжества Джехангира в XVIIв. были две сабли, кинжал и наконечник пики из метеоритного железа. Есть сведения, что из этого же материала были изготовлены шпаги Александра I и Боливара – героя Южной Америки.
Самородный чугун
Металлическое железо встречается не только в метеоритах. Еще в 1789г. в «Словаре коммерческом» Василия Левшина о самородном железе писалось: «Так называется железо, совсем приготовленное природой в недрах земных и совсем очищенное от веществ посторонних настолько, что можно из него ковать без переплавки всякие вещи».
Крупное скопление самородного железа было найдено на южном берегу острова Диско у берегов Гренландии. Оно залегало здесь в извергнутом через пласты каменного угля базальте в виде блесток, зерен и иногда мощных глыб.
В отличие от метеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля, самородное железо содержит не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта, около 0,4% меди и до 0,1% платины. Обычно оно исключительно бедно углеродом. Однако возможно образование и самородного чугуна, например, в результате контакта раскаленного углерода с железной рудой. В 1905г. геолог А.А.Иностранцев обнаружил в районе острова Русского на Дальнем Востоке небольшие пластообразные скопления самородного чугуна, находящегося на глубине 30...40м под скальными породами морского берега. В извлеченных образцах металла содержалось около 3,2% углерода.
Убит из-за железа
В 1735г. вогул Степан Чумпин нашел у горы Благодать большой кусок магнитного железняка и показал его горному технику И.Ярцеву. После осмотра месторождения Ярцев помчался с докладом в Екатеринбург. Эта поездка была самым настоящим бегством – по следу Ярцева скакали вооруженные стражники некоронованного короля Урала Демидова, который не допускал и мысли, что новые богатства минуют его. Ярцеву удалось уйти от погони. Первооткрыватели рудника получили вознаграждение от Горной канцелярии, но вскоре Степан Чумпин был убит. Убийца остался непойманным.
Кристалл чернова
Знаменитый русский металлург Д.К.Чернов (1839...1921) собрал коллекцию кристаллов железа. Некоторые кристаллы, найденные им в стальных слитках, достигали длины 5мм, большинство же не более 3мм.
Главной ценностью коллекции был уникальный «кристалл Д.К.Чернова», описанный во многих учебниках по металловедению. Его нашел в груде стального лома шихтового двора подполковник морской артиллерии А.Г.Берсенев, служивший приемщиком на металлургическом заводе. Как удалось выяснить, кристалл вырос в 100-тонном слитке стали. Берсенев подарил его своему учителю Чернову.
Чернов тщательно исследовал кристалл. Вес его оказался 3кг 450г, длина 39см, химический состав: 0,78% углерода, 0,255% кремния, 1,055% марганца, 97,863% железа.
Стальное вино
В старинных журналах можно найти рецепты различных «железных» лекарств. Так, в «Экономическом журнале» за 1783г. сообщалось: «В некоторых случаях и болезнях и самое железо составляет весьма хорошее лекарство, и принимаются с пользой наимельчайшие оного опилки либо просто, либо обсахаренные». Там же перечисляются другие лекарства того времени: обсахаренное железо, железный снег, железная вода, стальное вино («виноградное кислое вино, как, например, рейнвейн, настоять с железными опилками и получится железное или стальное вино и вкупе весьма хорошее лекарство»).
Магнитные лекарства
В 1835г. «Журнал мануфактур и торговли», сообщая о товарах, присланных из Вены в Петербург, упоминает металлические намагниченные бруски как средство от зубной и головной боли. Бруски рекомендовалось носить на шее. «Этот способ лечения ныне в моде, – сообщалось в журнале, – и, по отзывам врачей, заслуживающим вероятия, помогает весьма многим».
В древности и в середине века магнит употребляли не только как наружное, но и как внутреннее. Гален считал магнит слабительным, Авиценна лечил им ипохондриков, Парацельс приготовлял «магнитную манну», Агрикола – магнитную соль, магнитное масло и даже магнитную эссенцию.
Химия железа
Вероятно, вы обратили внимание, что и статья, и заметки об элементе №26 посвящены главным образом железу металлу. Это и не удивительно: именно этим, прежде всего железо интересно для нас. Но, отдавая должное главному металлу современной техники, нельзя забывать, что: элемент №26 обладает значительной химической активностью, он образует множество соединений, проявляя обычно валентности 2+ и 3+; существуют соли железной кислоты h3 FeО4, но в свободном состоянии эта кислота не получена, так же как и ее ангидрид – FeО3; природное железо состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 54, 56, 57 и 58; железо – жизненно важный элемент; в крови человека 14,5% ее веса приходится на долю гемоглобина – красного пигмента эритроцитов, в центре молекулы которого находится атом железа.
www.ronl.ru
